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Understanding major causes of biodiversity and range dynamics requires research on evolutionary processes under consideration of environmental changes. In my thesis, I investigated the spatio-temporal evolution of the Neotropical tree genus Cedrela from the Meliaceae family by studying its genetic diversity, taxonomy, colonization history, climatic niche changes and dynamics of species distributions. My results show that climatic and geological changes are major drivers of biological diversification in Cedrela.
In the interest of understanding the development of a multicellular organism, subcellular events must be seen in the context of the entire three-dimensional tissue. In addition, events that occur within a short period of time can be of great importance for the relatively long developmental process of the organ. Thus, it is required to capture subcellular events in a larger spatio-temporal scale context, which has been up to now a technical challenge. In developmental biology, light microscopy has always been an important tool. The dilemma of light microscopy, in particular fluorescence microscopy, is that molecules receive high light intensities that might change the conformation of molecules, which can have signaling or toxic effects. In Light Sheet-based Fluorescence Microscopy (LSFM), the energy required for a single recording is reduced by several orders of magnitude compared to other fluorescence microscopy techniques. During the last ten years, LSFM has emerged as a preferred tool to capture all cells during embryogenesis of the zebrafish Danio rerio, the fruit fly Drosophila melanogaster or recently the red flour beetle Tribolium castaneum for a period of several days. The motivation of this work was to gain new insights in developmental related processes of plant organs. The aim of this work was to establish a protocol for imaging plant growth over a long period of time using LSFM and perform comprehensive analyses at the cellular level. Plants have to cope with a variety of environmental conditions, therefore the conditions inside the microscope chamber had to be brought under control. The sample preparation methods and the standardized conditions at a physiological level allowed the study of gravity response, day-night rhythms, organ shape development as well as the intracellular dynamic events of the cytoskeleton and endosomal compartments in an unprecedented manner. Several of these projects were successfully published in collaborations with Prof. Jozef Šamaj (Palacký University Olomouc, Czech Republic), Prof. Niko Geldner (University of Lausanne, Switzerland), Prof. Malcom Bennett (University of Nottingham, UK) and Dr. Jürgen Kleine-Vehn (University of Natural Resources and Life Sciences, Austria). The main part of my work focused on the formation of lateral roots in Arabidopsis thaliana and was conducted in close collaboration with Dr. Alexis Maizel (University of Heidelberg, Germany). Previously, most experiments that describe lateral root formation have been performed on a small number of cells and for short periods of time. Capturing the complete process of lateral roots is an ambitious goal, because first, the primordium of a lateral root is located deep inside the primary root and imaging quality is impaired due to scattering of the overlaying tissue. Second, the process takes about 48 h, i.e. the plant has to be kept healthy for the whole period. Third, the amount of excitation light required for the spatio-temporal might have phototoxic effects that lead to a stop of growth at least in conventional microscopic techniques. In Arabidopsis embryogenesis, the sequence of cell divisions is relatively invariant. However, whether lateral root organogenesis follows particular cell division patterns has been unknown. The complete process of lateral root formation was captured from the first cell division until after the emergence from the main root. Images of a nuclei marker and a plasmamembrane marker were recorded every 5 min for a time period of up to 64 h. The positions and cell divisions of all cells were tracked manually. In collaboration with Alexander Schmitz (Goethe University Frankfurt am Main, Germany) and Dr. Jens Fangerau (University of Heidelberg, Germany), comprehensive analyses of the data were performed. A lateral root forms from initially 8-15 founder cells, arranged in a patch of 5-8 parallel files. The occurrence of new cell layers by periclinal divisions, as well as the sequence of layer generation was conserved and resembles the sequence suggested by Malamy and Benfey in 1997. Besides this stereotyped occurrence of periclinal divisions, radial divisions were found to appear stochastically, following no particular pattern. A large variability was also found in the contribution of founder cells and cell files to the final lateral root. In summary, the results suggest that a stereotyped pattern of cell divisions at particular developmental stages and a dynamically adapted control of cell divisions exist in parallel. Both properties allow a controlled but flexible development of the organ according to variations in cell topology and mechanical properties of the surrounding tissue. This work shows that LSFM, the sample preparation methods and controlled environmental conditions allow to capture and analyse the development of plants over several days at high resolution in an unprecedented manner.
Die randomisierte, dreiarmig kontrollierte Studie zu täglicher, peroraler Zusatzkost (ONS) bei Hämodialysepatienten (CHD) im Endstadium der Niereninsuffizienz (ESRD) über 6 Monate zeigte keine signifikanten Verbesserungen hinsichtlich folgender Nutritions-/Retentions- und Inflammationsparameter: Subjective Global Assessment (SGA); Body Mass Index (BMI); Querschnitt des Muskulus Iliopsoas,Oberarmumfang und Dicke des Unterhautfettgewebes (MRT); örperzellmasse und Phasenwinkel (Bioimpedanzanalyse BIA); Tumornekrosefaktor α (TNFα); Interleukin 1β und 6 (IL-1β und IL-6); C-Reaktives Protein (CRP). Der Querschnitt des Muskulus biceps brachii blieb in der Kontrollgruppe anfangs und zum Ende höher wie in den Interventionsgruppen. Der Serumkreatininwert der Interventionsgruppe mit HIV war anfangs geringer als in den übrigen Gruppen, die glomeruläre Filtrationsrate entsprechend besser, zum Ende waren diese Unterschiede nivelliert. Der Hauptbefund liegt in der hohen Mortalitätsrate der HIV-positiven Hämodialysepatienten (2 von 7 Pat., 28,6%), von denen beide im SGA als schwer mangel-/fehlernährt eingestuft wurden. Die Therapie eines Malnutritions-Infalmmations-Komplexes ist nicht allein durch orale Zusatzkost möglich. Weitere Studien müssen multimodale Konzepte zur Diagnose und zur Therapie erforschen. Hierzu kann perorale Zusatzkost ein einfach durchzuführendes Mittel als Teil der Behandlungsstrategie sein, zur erweiterten Diagnose kann die Bioimpedanzanalyse eine Möglichkeit sein, um den Teilaspekt der Nutritionskontrolle zu erfüllen.
This thesis presents experimental studies of proton capture and fragmentation reactions with heavy-ion storage rings. In one experiment, the 96Ru(p, γ)97Rh cross sections near the Gamow window have been measured at the ESR of GSI. In the other experiment, the measurement of the fragmentation yields has been carried out at the CSRe of IMP.
It is essential to determine the cross sections of (γ, p) or (p, γ) reactions for p-process network calculations. However, only very few of the required cross sections have been measured and thus most of them rely solely on Hauser-Feshbach model predictions. The predictions of the model have always very large uncertainties because of the not well-known input parameters. These parameters can be constrained by experiments. Compared to the traditional activation technique, a novel method using a storage ring has been developed to measure the cross sections of (p, γ) reactions in inverse kinematics.
This proton capture experiment has been performed at the ESR, where the circulating 96Ru44+ ions interacted with a hydrogen gas target at 9, 10 and 11 MeV/u. The nuclear reaction products of (p, p), (p, α), (p, n) and (p, γ) reactions were registered by position sensitive detectors. A Geant4 simulation code has been developed to distinguish the (p, γ) reaction products unambiguously from the background reactions. In this work, a relative normalization method has been utilized to accurately determine the cross sections of the (p, γ) reaction. The 96Ru(p, γ)97Rh cross section in the Gamow window of the p process is sensitive to two parameters, i.e., the γ-ray strength function and the optical model potential, while it is mainly sensitive to the γ-ray strength function in the energy region of our experiment. Therefore, our experimental (p, γ) cross sections near 10 MeV/u have been used to directly constrain the γ-ray strength function used in the model. Furthermore, the proton potential has also been constrained by combining our results with additional experimental data for this reaction in the lower energy region. The constrained model has been used to calculate the reaction rate over a wide temperature range, which is an extremely important input for astrophysical calculations.
The yields of fragments produced by 78Kr fragmentation reactions have been measured at the CSRe for the Tz = −1/2 and Tz = 1/2 nuclei along or close to the paths of αp- and rp-processes. The measured yields present a significant odd-even staggering effect for Tz = −1/2 nuclides but they are small for Tz = 1/2 nuclides.
The magnitude of this effect for four consecutive yields has been quantified using a third-order difference formula. It is found that the largest odd-even staggering is reached near the closed shells Z = 20 and Z = 28. Our experimental results could also compared with the data from other experiments with different projectile-target combinations. All these experimental data strongly support the closed shells Z = 20 and Z = 28 for the Tz = −1/2 nuclei.
Nichtribosomale Peptid Synthetasen sind Quelle für eine Vielzahl an Sekundärmetaboliten mit antibiotischer Wirkung. Jede Synthetase besteht aus einer Abfolge von Modulen, wobei jedes Modul die nötigen Domänen für den Einbau eines Bausteins in das gebildeten Peptids enthält. Ein Ansatz zur Gewinnung neuer Peptidantibiotika, die angesichts der steigenden Zahl multiresistenter Keime dringend benötigt werden, ist der Austausch von Domänen oder Modulen. Aufgrund bisher noch nicht verstandener Selektivitäten, entweder zwischen den Domänen oder zwischen einzelnen Domänen und Zwischenstufen des gebildeten Peptids, führt dieser Ansatz jedoch in der Praxis oft zu keiner oder nur geringer Ausbeute.
Ziel der vorgelegten Arbeit war es, einige dieser Selektivitäten zu untersuchen, wobei der Fokus auf Peptidyl Carrier Proteinen Domänen (PCPs) lag. An diese Domänen sind alle Intermediate während der Reifung des Peptids kovalent über einen Phosphopantethein-Kofaktor (Ppan-Arm) gebunden.
Im ersten Teil der Arbeit sollte die Struktur einer mit einem Heptapeptid beladenen PCP mittels Lösungs-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bestimmt werden. Hierbei konnte die natürliche Verknüpfung zwischen Ppan-Arm und Peptid über einen Thioester nicht verwendet werden, da diese Bindung zu Hydrolyse-anfällig war. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Substitution des Thioesters durch eine nicht hydrolysierbare Amidbindung keinen Einfluss auf die Struktur hat, wodurch die Strukturbestimmung möglich war. Hierbei zeigte sich, dass die Peptid-beladene PCP in der sogenannten A/H state Konformation vorliegt, wobei das an sie gebundene Peptid frei beweglich ist. Somit scheint es wahrscheinlich, dass die PCP keine Selektivität für das an sie gebundene Peptid aufweist. Dies ist ein Unterschied zu den strukturell ähnlichen Acyl Carrier Proteinen (ACPs) aus der bakteriellen Fettsäurebiosynthese, da diese eine Bindungstasche für die an sie gebundenen Fettsäuren ausbilden.
Untersuchungen der Selektivität der Kondensationsdomäne (C Domäne) für das PCP gebundene Peptid mittels NMR-Titrationen und biochemischer Analysen konnten nicht durchgeführt werden, da sich im Laufe des Projekts zeigte, dass die aus der Synthetase herausgetrennte C Domäne katalytisch nicht aktiv war. Stattdessen sollte die Kristallstruktur einer Peptid-beladenen PCP-C Bidomäne, für welche eine katalytische Aktivität bereits gezeigt worden war, gelöst werden. Da aber bereits ein signifikanter Anteil der Bidomäne während der Expression mit dem Ppan-Arm beladen wurde, war die nötige quantitative Beladung mit dem Peptid gekoppelten Ppan-Arm in vitro nicht möglich. Eine quantitative Modifizierung mit dem Ppan-Arm in vitro war hingegen erfolgreich, und die Struktur der Ppan-beladenen Bidomäne konnte gelöst werden. Aufgrund des großen Abstands zwischen den aktiven Zentren der beiden Domänen kann es sich bei der beobachteten Orientierung nicht um jene handeln, die die beiden Domänen zueinander annehmen, wenn die C Domäne das PCP-gebundene Peptid bindet.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Modifizierung einer PCP durch eine Gruppe II Phosphopantetheintransferase (PPT) untersucht. PPTs katalysieren die Übertragung des Ppan Arms auf die Seitenkette eines in PCPs konservierten Serins. In dieser Magnesium-abhängigen Reaktion dient Coenzym A (CoA) als Quelle für den Ppan-Arm. Durch Mutation des konservierten Serins in der PCP zu Alanin konnte ein stabiler Komplex aus PCP und PPT in Anwesenheit von CoA und Magnesium kristallisiert und seine Struktur bestimmt werden.
In einem Strukturmodell für den PCP/PPT Komplex war eine andere Konformation für die PCP postuliert worden, als sie in der Kristallstruktur des Komplexes zu beobachten ist. Durch Strukturbestimmung der PCP mittels Lösungs-NMR und anschließender Titrationsexperimente konnte jedoch gezeigt werden, dass sowohl die freie als auch die komplexierte PCP in Lösung ebenfalls die in der Kristallstruktur beobachtete Konformation einnehmen.
Aufgrund der gelösten Kristallstruktur konnten zwei Bereiche identifiziert werden, in denen die beiden Proteine im Komplex in direktem Kontakt zueinander stehen. Der eine Bereich ist durch eine intermolekulare Wasserstoffbrücke, der andere durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Proteinen gekennzeichnet. Durch ortsspezifische Mutagenese konnten beide Wechselwirkungen gestört werden, was sich in einer Abnahme der Komplexstabilität und einer veränderten Geschwindigkeit der Übertragung des Ppan-Arms äußerte.
Die große strukturelle Ähnlichkeit zwischen dem in dieser Arbeit untersuchten Komplex aus zwei in Bacillus vorkommenden Proteinen und einem humanen ACP/PPT Komplex legt die Vermutung nahe, dass die beobachteten Wechselwirkungen in vielen Organismen konserviert sind.
Tympanal hearing organs of insects emit distortion-product otoacoustic emissions (DPOAEs) which are indicative of nonlinear mechanical sound processing. General characteristics of insect DPOAEs are comparable to those measured in vertebrates, despite distinct differences in ear anatomy. DPOAEs appear during simultaneous stimulation with two pure tones (f1<f2) as additional spectral peaks at frequencies of nf1-(n-1)f2 and nf2-(n-1)f1, with the 2f1-f2 emission being the most prominent one. Insect DPOAEs are highly vulnerable to manipulations that interfere with the animal's physiological state and disappear after death. First evidence from locusts suggested that scolopidial mechanoreceptors might play a role in frequency-specific DPOAE generation (Möckel et al. 2007). The overall aim of this thesis was to determine the source of sensitive, nonlinear hearing at high frequencies and of DPOAE generation in tympanal organs of insects.
The first project of the present thesis involved general characteristics of DPOAE generation in the bushcricket Mecopoda elongata and the selective exclusion of the scolopidial mechanoreceptors using the neuroactive insectizide pymetrozine (Möckel et al. 2011). Pymetrozin appears to act highly effective and selectively on chordotonal organs, without affecting other sensory organs that lack scolopidial receptors. Pymetrozine solutions were applied as closely as possible to the scolopidia via a cuticle opening in the tibia, distally to the organ. Applications at concentrations between 10-3 and 10-7 M led to a pronounced and irreversible decrease of DPOAE amplitudes. Both this study on bushcrickets (Möckel et al. 2011) and an earlier one on locusts (Möckel et al. 2007) hence indicate the involvement of scolopidia in DPOAE generation in insects, by using complementary methods (pharmacological versus mechanical manipulation) and different animal models.
The second project of the present thesis investigated the temperature-dependence of DPOAEs in the locust Locusta migratoria (Möckel et al. 2012). The suggested biological origin of acoustic two-tone distortions in insects should involve metabolic processes, whose temperature-dependence would directly affect the DPOAE generation. Body temperature shifts resulted in reversible, level- and frequency-dependent effects on the 2f1–f2 emission. Using low f2 frequencies of up to 10 kHz, a body temperature increase (median +8–9°C) led to an upward shift of DPOAE amplitudes of approximately +10 dB, whereas a temperature decrease (median –7°C) was followed by a reduction of DPOAE amplitudes by 3 to 5 dB. Both effects were only present in the range of the low-level component of DPOAE growth functions below f2 stimulus levels of approximately 30-40 dB SPL. Emissions induced by higher stimulus levels and frequencies (e.g. 12 and 18 kHz) remained unaffected by any temperature shifts. The Arrhenius activation energy of the underlying cellular component amounted to 34 and 41 kJmol-1 (for growth functions measured with 8 and 10 kHz as f2, respectively). Such activation energy values provide a hint that an intact dynein-tubulin system within the scolopidial receptors could play an essential part in the DPOAE generation in tympanal organs.
The third project of this thesis demonstrated mechanical DPOAE analogs in the tympanum's vibration pattern during two-tone stimulation in the locust Schistocerca gregaria, using laser Doppler vibrometry (Möckel et al. 2014). DPOAE generation crucially relies on the integrity of the scolopidial mechanoreceptors (Möckel et al. 2007, 2011), which in locusts, directly attach to the tympanal membrane. During two-tone stimulation, DPOAEs were shown to mechanically emerge at the tympanum region where the auditory mechanoreceptors are attached. Those emission-coupled vibrations differed remarkably from tympanum waves evoked by external pure tones of the same frequency, in terms of wave propagation, energy distribution, and location of amplitude maxima. In contrast to traveling wave-like characteristics of externally evoked vibrations, intrinsically generated waves were locally restricted to the region around the high frequency receptors’ attachment position. The mechanical gradient of the tympanal membrane that leads to direction-dependent properties probably avoids the spreading of these locally evoked waves, which are then reflected and occur only in restricted areas as standing waves. Selective inactivation of mechanoreceptors by mechanical lesions did not affect the tympanum's response to external pure tones, but abolished the emission's displacement amplitude peak. These findings provide evidence that tympanal auditory receptors, comparable to the situation in mammals, comprise the required nonlinear response characteristics, which during two-tone stimulation lead to additional, highly localized deflections of the tympanum.
Cryo-electron tomography (CET) is a unique technique to visualize biological objects under near-to-native conditions at near-atomic resolution. CET provides three-dimensional (3D) snapshots of the cellular proteome, in which the spatial relations between macromolecular complexes in their near native cellular context can be explored. Due to the limitation of the electron dose applicable on biological samples, the achievable resolution of a tomogram is restricted to a few nanometers, higher resolution can be achieved by averaging of structures occurring in multiples. For this purpose, computational techniques such as template matching, sub-tomogram averaging and classification are essential for a meaningful processing of CET data.
This thesis introduces the techniques of template matching and sub-tomogram averaging and their applications on real biological data sets. Subsequently, the problem of reference bias, which restricts the applicability of those techniques, is addressed. Two methods that estimate the reference bias in Fourier and real space are demonstrated. The real space method, which we have named the “M-free” score, provides a reliable estimation of the reference bias, which gives access to the reliability of the template matching or sub-tomogram averaging process. Thus, the “M-free” score makes those approaches more applicable to structural biology. Furthermore, a classification algorithm based on Neural Networks (NN) called “KerDenSOM3D” is introduced, which is implemented in 3D and compensates for the missing-wedge. This approach helps extracting different structural states of macromolecular complexes or increasing the class purity of data sets by eliminating outliers. A comprehensive comparison with other classification methods shows superior performance of KerDenSOM3D.
This work is concerned with two topics at the intersection of convex algebraic geometry and optimization.
We develop a new method for the optimization of polynomials over polytopes. From the point of view of convex algebraic geometry the most common method for the approximation of polynomial optimization problems is to solve semidefinite programming relaxations coming from the application of Positivstellensätze. In optimization, non-linear programming problems are often solved using branch and bound methods. We propose a fused method that uses Positivstellensatz-relaxations as lower bounding methods in a branch and bound scheme. By deriving a new error bound for Handelman's Positivstellensatz, we show convergence of the resulting branch and bound method. Through the application of Positivstellensätze, semidefinite programming has gained importance in polynomial optimization in recent years. While it arises to be a powerful tool, the underlying geometry of the feasibility regions (spectrahedra) is not yet well understood. In this work, we study polyhedral and spectrahedral containment problems, in particular we classify their complexity and introduce sufficient criteria to certify the containment of one spectrahedron in another one.
Die Wahrnehmung von Schmerzen ermöglicht es dem Organismus, auf noxische Reize zu reagieren. Der akute nozizeptive Schmerz hat somit eine natürliche Warnfunktion. Bei länger anhaltenden bzw. chronischen Schmerzen oder Nervenschädigungen kann es jedoch zu pathophysiologischen Veränderungen im Nervensystem kommen, die zur Verselbständigung des Schmerzes führen können. Unter diesen Umständen gilt der Schmerz nicht mehr als Warnsignal, sondern als eigenes Krankheitsbild. Die „International Association for the Study of Pain (IASP)“ definiert Schmerz als „ein unangenehmes Sinnes- und Gefühlserlebnis, das mit aktueller oder potenzieller Gewebsschädigung verknüpft ist oder mit Begriffen einer solchen Schädigung beschrieben wird“. Da bisher verfügbare Arzneimittel chronische Schmerzen in vielen Fällen nicht ausreichend reduzieren können und teilweise zu schwerwiegenden Nebenwirkungen führen, ist es unverzichtbar, an der Entwicklung neuer und noch spezifischer wirkenden Analgetika festzuhalten. Um Pharmaka zu entwickeln, die gezielt in den Mechanismus der Schmerzverarbeitung eingreifen können, ist es notwendig, diesen auf molekularer Ebene zu kennen und zu verstehen.
In Deutschland stehen maligne Tumoren des Kopf-/Halsbereiches an sechster Stelle in der Prävalenz aller Krebserkrankungen und in den nächsten Jahrzehnten wird von der Weltgesundheitsorganisation ein starker Anstieg der Inzidenz erwartet. Ab dem Tumorstadium T2 ist eine alleinige operative oder radiotherapeutische Behandlung nicht mehr erfolgsversprechend, so dass multimodale Therapiekonzepte zum Einsatz kommen sollten. Ein multimodaler Ansatz ist die TPF-Induktionschemotherapie, die bisher vielversprechende Ergebnisse geliefert hat. Eine Prognose hinsichtlich der Therapieerfolge ist bei Tumorpatienten generell schwierig. Um die Effektivität der Behandlung zu überprüfen muss das Ansprechen klinisch und histologisch evaluiert werden. Hinsichtlich Geschlecht, Alter, Tumorlokalisation, Staging und histologischem Grading lag eine repräsentative Patientenpopulation vor. Die Ergebnisse bezüglich Ki67-, EGFR-Ausprägungsgrad und der Anzahl der Gefäße fügen sich in die bisherige Datenlage ein. Die Korrelation zwischen Ki67 bzw. EGFR mit der Anzahl der Gefäße bestätigt den Zusammenhang zwischen Proliferation und Vaskularisation. Die fehlende Korrelation zwischen Ki67 und EGFR untermauert das Nebeneinander von verschiedenen Proliferationsmechanismen ohne molekularen Zusammenhang. Die Ergebnisse belegen einen besseren Erfolg der Chemotherapie bei hohem Proliferationsindex (Ki67) und guter Vaskularisation (vWF), während der Ausprägungsgrad von EGFR ohne Einfluss darauf ist. Mit Hilfe klinischer Daten (hier T- und N-Status) und molekularer Daten (hier Ki67, EGFR, und vWF) sind Vorhersagemodelle für das Ansprechen auf eine TPF-Induktionschemotherapie möglich. Mittels der Cox- Regression konnte ein Modell erstellt werden, an dem für verschiedene Ausprägungen von Ki67 das zu erwartende Gesamtüberleben abgelesen werden kann. Die Zukunft neuer Therapiestrategien und deren Erfolgsprognose liegen auf molekularer Ebene.