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The aim of this work is to develop an effective equation of state for QCD, having the correct asymptotic degrees of freedom, to be used as input for dynamical studies of heavy ion collisions. We present an approach for modeling an EoS that respects the symmetries underlying QCD, and includes the correct asymptotic degrees of freedom, i.e. quarks and gluons at high temperature and hadrons in the low-temperature limit. We achieve this by including quarks degrees of freedom and the thermal contribution of the Polyakov loop in a hadronic chiral sigma-omega model. The hadronic part of the model is a nonlinear realization of an sigma-omega model. As the fundamental symmetries of QCD should also be present in its hadronic states such an approach is widely used to describe hadron properties below and around Tc. The quarks are introduced as thermal quasi particles, coupling to the Polyakov loop, while the dynamics of the Polyakov loop are controlled by a potential term which is fitted to reproduce pure gauge lattice data. In this model the sigma field serves a the order parameter for chiral restoration and the Polyakov loop as order parameter for deconfinement. The hadrons are suppressed at high densities by excluded volume corrections. As a next step, we introduce our new HQ model equation of state in a microscopic+macroscopic hybrid approach to heavy ion collisions. This hybrid approach is based on the Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) transport approach with an intermediate hydrodynamical evolution for the hot and dense stage of the collision. The present implementation allows to compare pure microscopic transport calculations with hydrodynamic calculations using exactly the same initial conditions and freeze-out procedure. The effects of the change in the underlying dynamics - ideal fluid dynamics vs. non-equilibrium transport theory - are explored. The final pion and proton multiplicities are lower in the hybrid model calculation due to the isentropic hydrodynamic expansion while the yields for strange particles are enhanced due to the local equilibrium in the hydrodynamic evolution. The elliptic and directed flow are shown to be not sensitive to changes in the EoS while the smaller mean free path in the hydrodynamic evolution reflects directly in higher flow results which are consistent with the experimental data. This finding indicates qualitatively that physical mechanisms like viscosity and other non equilibrium effects play an essentially more important role than the EoS when bulk observables like flow are investigated. In the last chapter, results for the thermal production of MEMOs in nucleus-nucleus collisions from a combined micro+macro approach are presented. Multiplicities, rapidity and transverse momentum spectra are predicted for Pb+Pb interaction at different beam energies. The presented excitation functions for various MEMO multiplicities show a clear maximum at the upper FAIR energy regime making this facility the ideal place to study the production of these exotic forms of multistrange objects.
How the brain evolved remains a mystery. The goal of this thesis is to understand the fundamental processes that are behind the evolutionary history of the brain. Amniotes appeared 320 million years ago with the transition from water to land. This early group bifurcated into sauropsids (reptiles and birds) and synapsids (mammals). Amniote brains evolved separately and display obvious structural and functional differences. Although those differences reflect brain diversification, all amniote brains share a common ancestor and their brains show multiple derived similarities: equivalent structures, networks, circuits and cell types have been preserved during millions of years. Finding these differences and similarities will help us understand brain historical evolution and function. Studying brain evolution can be approached from various levels, including brain structure, circuits, cell types, and genes. We propose a focus on cell types for a more comprehensive understanding of brain evolution. Neurons are the basic building blocks and the most diverse cell types in the brain. Their evolution reflects changes in the developmental processes that produce them, which in turn may shape the neural circuits they belong to. However, there is currently a lack of a unified criteria for studying the homology of connectivity and development between neurons. A neuron’s transcriptome is a molecular representation of its identity, connectivity, and developmental/evolutionary history. Hence the comparison of neuronal transcriptomes within and across species is a new and transformative development in the study of brain evolution. As an alternative, comparing neuronal transcriptomes across different species can provide insights into the evolution of the brain. We propose that comparing transcriptomes can be a way to fill this gap and unify these criteria. In previous studies, published in Science (Tosches et al., 2018) and Nature (Norimoto et al., 2020), we leveraged scRNAseq in reptiles to re-evaluate the origins and evolution of the mammalian cerebral cortex and claustrum. Motivated by the success of this approach, in this thesis we have now expanded single-cell profiling to the entire brain of a lizard species, the Australian dragon Pogona vitticeps, with a special focus in thalamus and prethalamus of. This approach allowed us to study the evolution of neuron types in amniotes. Therefore, we aimed to build a multilevel atlas of the lizard brain based on histology and transcriptomic and compare it to an equal mouse dataset (Zeisel et al., 2018).
Our atlas reveals a general structure that is consistent with that for other amniote brains, allowing us to make a direct comparison between lizard and mouse, despite their evolutionary divergence 320 million years ago. Through our analysis of the transcriptomes present in various neuron types, we have uncovered a core of conserved classes and discovered a fascinating dichotomy of new and conserved neuron types throughout the brain. This research challenges the traditional notion that certain brain regions are more conserved than others.
Our research also has uncovered the evolutionary history of the lizard thalamus and prethalamus by comparing them to homologous brain regions of the mouse. This pioneering research sheds new light on our understanding of the evolutionary history of the lizard brain. We propose a new classification of the lizard thalamic nuclei based on
transcriptomics. Our research revealed that the thalamic neuron types in lizards can be grouped into two large, conserved categories from the medial to lateral thalamus. These categories are encoded by a common set of effector genes, linking theories based on connectivity and molecular studies of these areas. In our data we have seen that there is a conservation of the medial-lateral transcriptomic axis in mouse and lizard, this conservation was most likely already present in the common ancestor. Although there is a shared medial-lateral axis, a deeper study of the thalamic cell types has allowed us to see the existence of a partial diversification of the thalamic population, specifically in the sensory-related lateral thalamus; in opposition, the medial thalamic nuclei neuron-types have been preserved.
On the other hand, the comparison with the mammalian prethalamus allowed us to confirm that the lizard ventromedial thalamic neuron types are homologous to mouse reticular thalamic neuron types (Díaz et al., 1994), even if they do not express the classical Reticular thalamic nucleus (RTn) marker PV/pvalb. We also discovered that there has been a simplification in the mammalian prethalamic neuron types in favor of an increase in the number of Interneurons (IN) types within their thalamus. We suggest that the loss of GABAergic neuronal types in the mammalian prethalamus is linked to the need for a more efficient control of the thalamo-pallial communication in mammals, while in lizards, where thalamo-pallial communication is probably simpler, the diversity prethalamus presents a higher diversity.
In light of the global sea-level rise and climate change of the 21th century, it is important to look back into the recent past in order to understand what the future might hold. A multi-proxy data set was compiled to evaluate the influence of geomorphological and environmental factors, such as antecedent topography, subsidence, sea level and climate, on reef, sand apron and lagoon development in modern carbonate platforms through the Holocene. Therefore, a combination of remote sensing and morphological data from 122 modern carbonate platforms and atolls in the Atlantic, Indian and Pacific Oceans were conducted, along with a case study from the oceanic (Darwinian) barrier-reef system of Bora Bora, French Polynesia, South Pacific.
The influence of antecedent topography and platform size as factors controlling Holocene sand apron development and extension in modern atolls and carbonate platforms is hypothesized. Antecedent topography describes the elevation and relief of the underlying Pleistocene topography (karst) and determines the distance from the sea floor to the rising postglacial sea level. Maximum lagoon depth and marginal reef thickness, when available in literature, were used as proxies for antecedent topography. Sand apron proportions of 122 atolls and carbonate platforms from the Atlantic, Indian and Pacific Oceans were quantified and correlated to maximum lagoon depth, total platform area and marginal reef thickness. This study shows that sand apron proportions increase with decreasing lagoon depths. Sand apron proportions also increase with decreasing platform area. The interaction of antecedent topography and Holocene sea-level rise is responsible for variations in accommodation space and at least determines the extension of the lateral expansion of sand aprons. In general, sand apron formation started when marginal reefs approached relative sea level. Spatial and regional variations in sea-level history let sand apron formation start earlier in the Indo-Pacific region (transgressive-regressive) than in the Western Atlantic Ocean (transgressive).
The influence of sea level, antecedent topography and subsidence of a volcanic island on late Quaternary reef development was evaluated based on six rotary core transects on the barrier and fringing reefs of Bora Bora. This study was designed to revalue the Darwinian model, the subsidence theory of reef development, which genetically connects fringing reef, barrier reef and atoll development by continuous subsidence of the volcanic basement. Postglacial sea-level rise, and to a minor degree subsidence, were identified as major factors controlling Holocene reef development in that they have created accommodation space and controlled reef architecture. Antecedent topography was also an important factor because the Holocene barrier reef is located on a Pleistocene barrier reef forming a topographic high. Pleistocene soil and basalt formed the pedestal of the fringing reef. Uranium-Thorium dating shows that barrier and fringing reefs developed contemporaneously during the Holocene.
In the barrier–reef lagoon of Bora Bora, the influence of environmental factors, such as sea level and climate, tsunamis and tropical cyclones controlling Holocene sediment dynamics was evaluated based on sedimentological, paleontological, geochronological and geochemical data. The lagoonal succession comprises mixed carbonate-siliciclastic sediments overlying peat and Pleistocene soil. The multi-proxy data set shows variations in grain-size, total organic carbon (proxy for primary productivity), Ca and Cl element intensities (proxies for carbonate availability and lagoonal salinity) during the mid-late Holocene. These patterns could result from event sedimentation during storms and correlate to event deposits found in nearby Tahaa, probably induced by elevated cyclone activity. Accordingly, elevated erosion and runoff from the volcanic island and lower lagoonal salinity would be a result of rainfall during repeated cyclone landfall. However, Ti/Ca and Fe/Ca ratios as proxies for terrigenous sediment delivery peaked out in the early Holocene and declined since the mid-Holocene. Benthic foraminifera assemblages do not indicate reef-to-lagoon transport. Alternatively, higher and sustained hydrodynamic energy is probably induced by stronger trade winds and a higher-than-present sea level during the mid-late Holocene. The increase in mid-late Holocene sediment dynamics within the back-reef lagoon is supposed to display sediment-load shedding of sand aprons due to the oversteepening of slopes at sand apron/lagoon edges during their progradation rather than an increase in tropical storm activity during that time.
The influence of sea-level and climate changes on sediment import, composition and distribution in the Bora Bora lagoon during the Holocene is validated. Lagoonal facies succession comprises siderite-rich marly wackestones, foraminifera-siderite wackestones, mollusk-foraminifera marly packstones and mollusk-rich wackestones during the early-mid Holocene, and mudstones since the mid-late Holocene. During the early Holocene, enhanced weathering and iron input from the volcanic island due to wetter climate conditions led to the formation of siderite within the lagoonal sediments. The geochemical composition of these siderites shows that precipitation was driven by microbial activity and iron reduction in the presence of dissolved bicarbonate. Chemical substitutions at grain margins illustrate changes in the oxidation state and probably reflect changes in pore water chemistry due to sea-level rise and climate change (rainfall). In the late Holocene, sediment transport into the lagoon is hampered by motus on the windward side of the lagoon, which led to early submarine lithification within the lagoon.
A multiple filter test for the detection of rate changes in renewal processes with varying variance
(2014)
The thesis provides novel procedures in the statistical field of change point detection in time series.
Motivated by a variety of neuronal spike train patterns, a broad stochastic point process model is introduced. This model features points in time (change points), where the associated event rate changes. For purposes of change point detection, filtered derivative processes (MOSUM) are studied. Functional limit theorems for the filtered derivative processes are derived. These results are used to support novel procedures for change point detection; in particular, multiple filters (bandwidths) are applied simultaneously in oder to detect change points in different time scales.
The Earth’s surface condition we find today is a result of long exposure to metabolism of life forms. Particularly, molecular oxygen in the atmosphere is a feature which developed over time. The first substantial and lasting rise of atmospheric oxygen level happened ≈ 2.5 Ga ago, but localities are reported where transiently elevated oxygen levels appeared before this time-point. To trace the timing and circumstances of the earliest availability of free oxygen in the atmosphere is important to understand the habitats of early microbial life forms on Earth.
This thesis focuses to obtain information of oxygen levels and the related atmospheric cycling of metals in sediments of the 3.5 to 3.2 Ga Barberton Greenstone Belt. First, as iron was a ubiquitous constituent of Archean seawater, I investigated its isotopic composition in minerals of chemical sediments. Hereby, I tried to resolve the changes within the water basin on small scale sedimentary sequence cycles. Second, I focused on the minor constituents of Archean seawater. The Re-Os geochronologic system and the abundance patterns of the platinum-group elements were chosen to integrate information of oxygen promoted weathering of a large source area. To integrate information of a large time interval, the isotopes of uranium were investigated over a large stratigraphic section.
The two key findings of this thesis are:
• Quantitative oxidation of ferrous iron in surface layers of Paleoarchean seawater occurred during the onset and termination of hydrothermal FeIIaq delivery into shallow waters.
• Paleoarchean sedimentary successions of the Barberton Greenstone Belt lack any evidence of transient basin-scale oxygenation.
The Manzimnyama Iron Formation (IF, Fig Tree Group, Barberton Greenstone Belt, South Africa) has been deciphered to exist of cyclic stacks of lithostratigraphic units with varying amounts of iron oxide and carbonate minerals. In-situ femtosecond-Laser-Ablation ICP-MS iron isotope measurements showed that the majority of siderite (γ56Fe ≈ −0.5 ‰) precipitated directly from seawater of γ56Fe ≈ 0 ‰. Ferric iron from the surface layers is preserved in ≤ 1μ m hematite and in magnetite that has been grown within the consolidated sediment. During FeIIaq events, fine-grained hematite (γ56Fe ≈ 2.2 ‰) and magnetite (γ56Fe 0.5 to 0.8 ‰) indicate oxygen levels in surface waters of lower than 0.0002 μM. Upon onset and termination of iron oxide abundance, magnetite with γ56Fe ≈ 0 ‰ indicates that low concentrations of FeIIaq in surface waters were oxidized quantitatively. These observations demonstrate the existence of iron oxidation in Paleoarchean surface waters independent of FeIIaq concentration. This is the first investigation of Paleoarchean IF showing that lithostratigraphic cyclicity can be traced in iron isotopic composition of oxide minerals.
ID-ICP-MS measurement of Re, Ir, Ru, Pt and Pd, trace element (SF-ICP-MS) and ID-MCICP- MS uranium isotope determination have been applied to carbonaceous shale of the Mapepe Fm. (Fig Tree Group) after inverse Aqua Regia leaching and bulk digestion. The sediments reveal a silicified fraction which exhibits a seawater REE signature and a mixture of detrital and meteoritic PGE. Neither enrichment of the redox-sensitive elements Re or Mo nor fractionated uranium isotopes have been found on a stratigraphic interval of several hundred meters. The non-silica fraction shows no depletion of Re which indicates that the detrital material had no contact to oxidizing fluids. ID-TIMS measurements of Re and Os after the CrO3-SO4 Carius Tube method of two sample intervals showed that the Re-Os isotopic systems of the non-silica fractions are identical to two komatiite occurrences. Weltevreden Fm. and Komati Fm. rocks were uplifted, eroded and transported to the deep part of the sedimentary basin without any change to the Re-Os system. Negative fractionated uranium isotopes (γ238U = −0.41 ± 0.01 ‰) associated with detrital Ba-Cr-U occurrences suggest the existence of distal redox-processes that involve uranium species. This study demonstrates that over the time of exposure and deposition of the Mapepe Fm. sedimentation, free oxygen was not available for weathering in the catchment area.
Many hominin species are best physically represented and understood by the sum of their dental morphologies. Generally, taxonomic affinities and evolutionary trends in development (ontogeny) and morphology (phylogeny) can be deduced from dental analyses. More specifically, the study of dental remains can yield a wealth of information on many facets of hominin evolution, life history, physiology and ecological adaptation; in short, the organisms paleobiomics. Functionally, teeth present information about dietary preferences, that is, the dietary niche in ecological context and, in turn, masticatory function. As the amount and types of information that can be gleaned from 2-dimensional tooth measurement exhaust themselves, 3-dimensional microscopic modeling and analysis presents a largely fertile ground for reexamination and reinterpretation of dental characteristics (Bromage et al., 2005). As such, a novel, non-destructive approach has been developed which combines the work of two established technologies (confocal microscopy and 3D modeling) adapted specifically for the purpose of mineralized tissue imaging. Through this method, 3D functional masticatory and therefore occlusal molar microwear is able to be visualized, quantified and comparatively analyzed to assess dietary preference in Javanese Homo erectus. This method differs from other microwear investigative techniques (defining 'pits'- vs- 'scratches', microtexture analysis etc.) in that it defines a molars masticatory microwear functional interactions in 3-dimensions as its baseline dataset for further interpretations and analyses. Due to poor specimen collection techniques employed during the first half of the 20th century, the very complex geologic nature of the Sangiran Dome and disagreements over its chronostratigraphy, only very few scientific works have addressed the Sangiran 7 (S7) Homo erectus molar collection (n=25) (e.g. Grine and Franzen, 1994; Kaifu, 2006). Grine and Franzen's (1994) work was a predominantly qualitative initial assessment of the specimens and identified five specimens that might better be ascribed to a fossil pongid rather than H. erectus. They also noted several molars to which tooth position (M1 or M2) was unable to be ascribed (Grine and Franzen, 1994). Kaifu (2006) comparatively examined crown sizes in several S7 molars.
The Sangiran 7 collection originates from two distinct geologic horizons: ten from the older Sangiran Formation (S7a, ~1.7 to 1.0mya) and fifteen from the younger, overlying Bapang Formation (S7b, ~1.0 to .7mya). During this million year period, Java was connected to the mainland during various glacio-eustatic low-stands in sea level. These mainland connections varied in size, extent, climatic condition and therefore in faunal and floral composition. As the S7 sample may be representative of the earliest Homo erectus migrants into Java and spans long durations of occupation, its investigation yields potential to understand the various influences climatic and ecogeographic fluctuations had on these populations. Since the sample consists only of teeth, an ecodietary approach has been deemed the most logical and appropriate investigative approach. Questions regarding the intra- and inter- S7 sample
relationships will also be addressed.
By comparing various aspects of the H. erectus dentition against that of hunter/ gatherer's (H/G) whose diet is known, functional dietary similarity can be directly correlated. Thus a comparative molar sample consisting of the below historic hunter/ gather's (n=63) has been included in order to assess H. erectus's diet in ecological context: Inuit (n=9), Pacific Northwest Tribes (n=11), Fuegians (n=11), Australian Aborigines (n=12) and Bushman (n=20). Methodologically, this approach produces a 3D facet microwear vector (fmv) signature for each molar which can then be compared for statistical similarity.
Microwear (and, as such, the fmv signatures) was defined by the regular, parallel striations found on specific cusp facets known to arise from patterned, directional masticatory movements. This differs significantly from post-mortem or taphonomic microwear which produces striations at irregular angles on multiple, non-masticatory surfaces (Peuch et al.1985, Teaford, 1988). A 'match value' is produced to determine the similarity of two molars fmv's. The 'match values' are ranked (high to low) and these rankings are used to statistically analyze and infer dietary preference: between Sangiran 7 (as an entire sample) compared against that of the historic hunter/ gatherer H. sapiens whose diet and ecogeography is known; within S7a and S7b and then among the S7 sample (eg. S7a-vs-S7b); whether the purported Pongo molars actually affiliate well with H. erectus, the hunter-gatherer's or if they demonstrate distinctly different fmv signatures altogether; whether fmv signatures are useful in distinguishing molars whose tooth position is in doubt (eg. M1 or M2).
When compared against individual H/G molars, the results show that Sangiran 7 H. erectus most closely correlates with Bushmen across all areas of fmv signature analysis. However, within broader dietary categories (yearly reliant on proteinaceous foods; seasonally reliant on proteinaceous foods; not reliant on proteinaceous foods), it was found that H. erectus most closely allied with the two hunter/ gatherer subpopulations associated with the 'Seasonally reliant on proteinaceous foods' (Australian Aboriginals and Pacific Northwest Tribes). There was also evidence for dietary change or specialization over time. As the environment changed during occupation by the earlier Sangiran to the later Bapang individuals, the dietary preference shifted from a focus on vegetative foods to a diet much more inclusive of proteinaceous resources.
These results are considered logical within the larger ecogeographic and chronostratigraphic context of the Sangiran Dome during the Pleistocene. However, a larger sample would be needed to confirm this. Although general dietary preferences can be drawn from this method, it is not possible at present to define specific foods consumed on a daily basis (eg. tubers or tortoise meat).
Out of the five specimens possibly allied with Pongo, S7-14 matched at the 'high' designation with a hunter/ gatherer, S7-62 matched 'moderately', S7-20 matched 'low' while the remaining two were not able to be matched with any other teeth for various reasons. Although designation to Pongo cannot be ruled on at this time using this method, it does demonstrate that at least two of the teeth correlate well with various hunter/ gatherer's who do not share dietary similarity with Pongo. This suggests their designation as Pongo should be more closely reevaluated. As for the four specimens whose tooth position was unsure, S7-14 matched 'highly' with 1st molars, S7-62 and S7-78 matched 'moderately' with 2nd and 1st molars respectively while S7-20 only matched at the 'low' designation. Although this approach is still exploratory, it adds another analytical tool for use in defining tooth position.
In sum, this method has demonstrated its usefulness in defining and functionally analyzing a novel 3D molar microwear dataset to interpret dietary preference. Future work would include a pan- H. erectus molar sample in order to illuminate broader populational, taxonomic and dietary correlations within and amoung all H. erectus specimens. A larger, more heterogenous historic H/G sample would also be included in order to provide a wider dietary comparative population. This method can be further extended to include and compare any and all hominins as well as any organism which produces micro wear upon it molars. Also, the data obtained and resultant fmv signature diagrams have the potential to be incorporated into 3D VR reconstructions of mandibular movement thus recreating mastication in extinct organisms and leading to more robust anatomical and physiological investigations especially when viewed in the context of larger environmental conditions or changes.
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.
Seit einigen Jahrzehnten ist Lysozym eines der am meisten erforschten Proteine in der Literatur und wird hauptsächlich als Modell Protein zur Aufklärung der Faltungs- und Entfaltungsprozesse genutzt. Da die Frage nach Fehlfaltung und deren Verknüpfung mit neurodegenerativen Krankheiten bis zum heutigen Tag nicht vollständig geklärt ist, besteht hier ein großer Spielraum für weitere Forschungsansätze. In der vorliegenden Arbeit wurden daher zwei Modellsysteme verwendet, Hühereiweiß-Lysozym und menschliches Lysozym, jeweils in ihrem nicht-nativen ungefalteten Zustand. Diese ungefalteten Ensembles wurden mit Hilfe NMR spektroskopischer Methoden untersucht und ergaben sehr detaillierte, zum Teil auch überraschende neue Einblicke in Struktur und Dynamik der beiden Proteine und liefern somit wichtige Erkenntnisse zu Faltungs- und Aggregationsprozessen. ...
In this dissertation a non-deterministic lambda-calculus with call-by-need evaluation is treated. Call-by-need means that subexpressions are evaluated at most once and only if their value must be known to compute the overall result. Also called "sharing", this technique is inevitable for an efficient implementation. In the lambda-ND calculus of chapter 3 sharing is represented explicitely by a let-construct. Above, the calculus has function application, lambda abstractions, sequential evaluation and pick for non-deterministic choice. Non-deterministic lambda calculi play a major role as a theoretical foundation for concurrent processes or side-effected input/output. In this work, non-determinism additionally makes visible when sharing is broken. Based on the bisimulation method this work develops a notion of equality which respects sharing. Using bisimulation to establish contextual equivalence requires substitutivity within contexts, i.e., the ability to "replace equals by equals" within every program or term. This property is called congruence or precongruence if it applies to a preorder. The open similarity of chapter 4 represents a new concept, insofar that the usual definition of a bisimulation is impossible in the lambda-ND calculus. So in section 3.2 a further calculus lambda-Approx has to be defined. Section 3.3 contains the proof of the so-called Approximation Theorem which states that the evaluation in lambda-ND and lambda-Approx agrees. The foundation for the non-trivial precongruence proof is set out in chapter 2 where the trailblazing method of Howe is extended to be capable with sharing. By the use of this (extended) method, the Precongruence Theorem proves open similarity to be a precongruence, involving the so-called precongruence candidate relation. Joining with the Approximation Theorem we obtain the Main Theorem which says that open similarity of the lambda-Approx calculus is contained within the contextual preorder of the lambda-ND calculus. However, this inclusion is strict, a property whose non-trivial proof involves the notion of syntactic continuity. Finally, chapter 6 discusses possible extensions of the base calculus such as recursive bindings or case and constructors. As a fundamental study the calculus lambda-ND provides neither of these concepts, since it was intentionally designed to keep the proofs as simple as possible. Section 6.1 illustrates that the addition case and constructors could be accomplished without big hurdles. However, recursive bindings cannot be represented simply by a fixed point combinator like Y, thus further investigations are necessary.
A novel role for mutant mRNA degradation in triggering transcriptional adaptation to mutations
(2020)
Robustness to mutations promotes organisms’ well-being and fitness. The increasing number of mutants in various model organisms, and humans, showing no obvious phenotype (Bouche and Bouchez, 2001; Chen et al., 2016b; Giaever et al., 2002; Kok et al., 2015) has renewed interest into how organisms adapt to gene loss. In the presence of deleterious mutations, genetic compensation by transcriptional upregulation of related gene(s) (also known as transcriptional adaptation) has been reported in numerous systems (El-Brolosy and Stainier, 2017; Rossi et al., 2015; Tondeleir et al., 2012); however, the molecular mechanisms underlying this response remained unclear. To investigate this phenomenon, I develop and study multiple models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse cell lines. I first show that transcriptional adaptation is not caused by loss of protein function, indicating that the trigger lies upstream, and find that the response involves enhanced transcription of the related gene(s). Furthermore, I observe a correlation between levels of mutant mRNA degradation and upregulation of related genes. To investigate the role of mutant mRNA degradation in triggering the response, I generate mutant alleles that do not transcribe the mutated gene and find that they fail to induce a transcriptional response and display stronger phenotypes. Transcriptome analysis of alleles displaying mutant mRNA degradation revealed upregulation of a significant proportion of genes displaying sequence similarity with the mutated gene’s mRNA, suggesting a model whereby mRNA degradation intermediates induce transcriptional adaptation via sequence similarity. Further mechanistic analyses suggested RNA-decay factors-dependent chromatin remodeling, and repression of antisense RNAs to be implicated in the response. These results identify a novel role for mutant mRNA degradation in buffering against mutations. Besides, they hold huge implications on understanding disease-causing mutations and shall help in designing mutations that lead to minimal transcriptional adaptation-induced compensation, facilitating studying gene function in model organisms.
The miniaturization of electronics is reaching its limits. Structures necessary to build integrated circuits from semiconductors are shrinking and could reach the size of only a few atoms within the next few years. It will be at the latest at this point in time that the physics of nanostructures gains importance in our every day life. This thesis deals with the physics of quantum impurity models. All models of this class exhibit an identical structure: the simple and small impurity only has few degrees of freedom. It can be built out of a small number of atoms or a single molecule, for example. In the simplest case it can be described by a single spin degree of freedom, in many quantum impurity models, it can be treated exactly. The complexity of the description arises from its coupling to a large number of fermionic or bosonic degrees of freedom (large meaning that we have to deal with particle numbers of the order of 10^{23}). An exact treatment thus remains impossible. At the same time, physical effects which arise in quantum impurity systems often cannot be described within a perturbative theory, since multiple energy scales may play an important role. One example for such an effect is the Kondo effect, where the free magnetic moment of the impurity is screened by a "cloud" of fermionic particles of the quantum bath.
The Kondo effect is only one example for the rich physics stemming from correlation effects in many body systems. Quantum impurity models, and the oftentimes related Kondo effect, have regained the attention of experimental and theoretical physicists since the advent of quantum dots, which are sometimes also referred to as as artificial atoms. Quantum dots offer a unprecedented control and tunability of many system parameters. Hence, they constitute a nice "playground" for fundamental research, while being promising candidates for building blocks of future technological devices as well.
Recently Loss' and DiVincenzo's p roposal of a quantum computing scheme based on spins in quantum dots, increased the efforts of experimentalists to coherently manipulate and read out the spins of quantum dots one by one. In this context two topics are of paramount importance for future quantum information processing: since decoherence times have to be large enough to allow for good error correction schemes, understanding the loss of phase coherence in quantum impurity systems is a prerequisite for quantum computation in these systems. Nonequilibrium phenomena in quantum impurity systems also have to be understood, before one may gain control of manipulating quantum bits.
As a first step towards more complicated nonequilibrium situations, the reaction of a system to a quantum quench, i.e. a sudden change of external fields or other parameters of the system can be investigated. We give an introduction to a powerful numerical method used in this field of research, the numerical renormalization group method, and apply this method and its recent enhancements to various quantum impurity systems.
The main part of this thesis may be structured in the following way:
- Ferromagnetic Kondo Model,
- Spin-Dynamics in the Anisotropic Kondo and the Spin-Boson Model,
- Two Ising-coupled Spins in a Bosonic Bath,
- Decoherence in an Aharanov-Bohm Interferometer.
Computational oral absorption models, in particular PBBM models, provide a powerful tool for researchers and pharmaceutical scientists in drug discovery and formulation development, as they mimic and can describe the physiologically processes relevant to the oral absorption. PBBM models provide in vivo context to in vitro data experiments and allow for a dynamic understanding of in vivo drug disposition that is not typically provided by data from standard in vitro assays. Investigations using these models permit informed decision-making, especially regarding to formulation strategies in drug development. PBBM models, but can also be used to investigate and provide insight into mechanisms responsible for complex phenomena such as food effect in drug absorption. Although there are obviously still some gaps regarding the in silico construction of the gastrointestinal environment, ongoing research in the area of oral drug absorption (e.g. the UNGAP, AGE-POP and InPharma projects) will increase knowledge and enable improvement of these models.
PBBM can nowadays provide an alternative approach to the development of in vitro–in vivo correlations. The case studies presented in this thesis demonstrate how PBBM can address a mechanistic understanding of the negative food effect and be used to set clinically relevant dissolution specification for zolpidem immediate release tablets. In both cases, we demonstrated the importance of integrating drug properties with physiological variables to mechanistically understand and observe the impact of these parameters on oral drug absorption.
Various complex physiological processes are initiated upon food consumption, which can enhance or reduce a drug’s dissolution, solubility, and permeability and thus lead to changes in drug absorption. With improvements in modeling and simulation software and design of in vitro studies, PBBM modeling of food effects may eventually serve as a surrogate for clinical food effect studies for new doses and formulations or drugs. Furthermore, the application of these models may be even more critical in case of compounds where execution of clinical studies in healthy volunteers would be difficult (e.g., oncology drugs).
In the fourth chapter we have demonstrated the establishment of the link between biopredictive in vitro dissolution testing (QC or biorelevant method) PBBM coupled with PD modeling opens the opportunity to set truly clinically relevant specifications for drug release. This approach can be extended to other drugs regardless of its classification according to the BCS.
With the increased adoption of PBBM, we expect that best practices in development and verification of these models will be established that can eventually inform a regulatory guidance. Therefore, the application of Physiologically Based Biopharmaceutical Modelling is an area with great potential to streamline late-stage drug development and impact on regulatory approval procedures.
A stochastic model for the joint evaluation of burstiness and regularity in oscillatory spike trains
(2013)
The thesis provides a stochastic model to quantify and classify neuronal firing patterns of oscillatory spike trains. A spike train is a finite sequence of time points at which a neuron has an electric discharge (spike) which is recorded over a finite time interval. In this work, these spike times are analyzed regarding special firing patterns like the presence or absence of oscillatory activity and clusters (so called bursts). These bursts do not have a clear and unique definition in the literature. They are often fired in response to behaviorally relevant stimuli, e.g., an unexpected reward or a novel stimulus, but may also appear spontaneously. Oscillatory activity has been found to be related to complex information processing such as feature binding or figure ground segregation in the visual cortex. Thus, in the context of neurophysiology, it is important to quantify and classify these firing patterns and their change under certain experimental conditions like pharmacological treatment or genetical manipulation. In neuroscientific practice, the classification is often done by visual inspection criteria without giving reproducible results. Furthermore, descriptive methods are used for the quantification of spike trains without relating the extracted measures to properties of the underlying processes.
For that reason, a doubly stochastic point process model is proposed and termed 'Gaussian Locking to a free Oscillator' - GLO. The model has been developed on the basis of empirical observations in dopaminergic neurons and in cooperation with neurophysiologists. The GLO model uses as a first stage an unobservable oscillatory background rhythm which is represented by a stationary random walk whose increments are normally distributed. Two different model types are used to describe single spike firing or clusters of spikes. For both model types, the distribution of the random number of spikes per beat has different probability distributions (Bernoulli in the single spike case or Poisson in the cluster case). In the second stage, the random spike times are placed around their birth beat according to a normal distribution. These spike times represent the observed point process which has five easily interpretable parameters to describe the regularity and the burstiness of the firing patterns.
It turns out that the point process is stationary, simple and ergodic. It can be characterized as a cluster process and for the bursty firing mode as a Cox process. Furthermore, the distribution of the waiting times between spikes can be derived for some parameter combination. The conditional intensity function of the point process is derived which is also called autocorrelation function (ACF) in the neuroscience literature. This function arises by conditioning on a spike at time zero and measures the intensity of spikes x time units later. The autocorrelation histogram (ACH) is an estimate for the ACF. The parameters of the GLO are estimated by fitting the ACF to the ACH with a nonlinear least squares algorithm. This is a common procedure in neuroscientific practice and has the advantage that the GLO ACF can be computed for all parameter combinations and that its properties are closely related to the burstiness and regularity of the process. The precision of estimation is investigated for different scenarios using Monte-Carlo simulations and bootstrap methods.
The GLO provides the neuroscientist with objective and reproducible classification rules for the firing patterns on the basis of the model ACF. These rules are inspired by visual inspection criteria often used in neuroscientific practice and thus support and complement usual analysis of empirical spike trains. When applied to a sample data set, the model is able to detect significant changes in the regularity and burst behavior of the cells and provides confidence intervals for the parameter estimates.
Das Gehirn ist die wohl komplexeste Struktur auf Erden, die der Mensch erforscht. Es besteht aus einem riesigen Netzwerk von Nervenzellen, welches in der Lage ist eingehende sensorische Informationen zu verarbeiten um daraus eine sinnvolle Repräsentation der Umgebung zu erstellen. Außerdem koordiniert es die Aktionen des Organismus um mit der Umgebung zu interagieren. Das Gehirn hat die bemerkenswerte Fähigkeit sowohl Informationen zu speichern als auch sich ständig an ändernde Bedingungen anzupassen, und zwar über die gesamte Lebensdauer. Dies ist essentiell für Mensch oder Tier um sich zu entwickeln und zu lernen. Die Grundlage für diesen lebenslangen Lernprozess ist die Plastizität des Gehirns, welche das riesige Netzwerk von Neuronen ständig anpasst und neu verbindet. Die Veränderungen an den synaptischen Verbindungen und der intrinsischen Erregbarkeit jedes Neurons finden durch selbstorganisierte Mechanismen statt und optimieren das Verhalten des Organismus als Ganzes. Das Phänomen der neuronalen Plastizität beschäftigt die Neurowissenschaften und anderen Disziplinen bereits über mehrere Jahrzehnte. Dabei beschreibt die intrinsische Plastizität die ständige Anpassung der Erregbarkeit eines Neurons um einen ausbalancierten, homöostatischen Arbeitsbereich zu gewährleisten. Aber besonders die synaptische Plastizität, welche die Änderungen in der Stärke bestehender Verbindungen bezeichnet, wurde unter vielen verschiedenen Bedingungen erforscht und erwies sich mit jeder neuen Studie als immer komplexer. Sie wird durch ein komplexes Zusammenspiel von biophysikalischen Mechanismen induziert und hängt von verschiedenen Faktoren wie der Frequenz der Aktionspotentiale, deren Timing und dem Membranpotential ab und zeigt außerdem eine metaplastische Abhängigkeit von vergangenen Ereignissen. Letztlich beeinflusst die synaptische Plastizität die Signalverarbeitung und Berechnung einzelner Neuronen und der neuronalen Netzwerke.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist es das Verständnis der biologischen Mechanismen und deren Folgen, die zu den beobachteten Plastizitätsphänomene führen, durch eine stärker vereinheitlichte Theorie voranzutreiben.Dazu stelle ich zwei funktionale Ziele für neuronale Plastizität auf, leite Lernregeln aus diesen ab und analysiere deren Konsequenzen und Vorhersagen.
Kapitel 3 untersucht die Unterscheidbarkeit der Populationsaktivität in Netzwerken als funktionales Ziel für neuronale Plastizität. Die Hypothese ist dabei, dass gerade in rekurrenten aber auch in vorwärtsgekoppelten Netzwerken die Populationsaktivität als Repräsentation der Eingangssignale optimiert werden kann, wenn ähnliche Eingangssignale eine möglichst unterschiedliche Repräsentation haben und dadurch für die nachfolgende Verarbeitung besser unterscheidbar sind. Das funktionale Ziel ist daher diese Unterscheidbarkeit durch Veränderungen an den Verbindungsstärke und der Erregbarkeit der Neuronen mithilfe von lokalen selbst-organisierten Lernregeln zu maximieren. Aus diesem funktionale Ziel lassen sich eine Reihe von Standard-Lernenregeln für künstliche neuronale Netze gemeinsam abzuleiten.
Kapitel 4 wendet einen ähnlichen funktionalen Ansatz auf ein komplexeres, biophysikalisches Neuronenmodell an. Das Ziel ist eine spärliche, stark asymmetrische Verteilung der synaptischen Stärke, wie sie auch bereits mehrfach experimentell gefunden wurde, durch lokale, synaptische Lernregeln zu maximieren. Aus diesem funktionalen Ansatz können alle wichtigen Phänomene der synaptischen Plastizität erklärt werden. Simulationen der Lernregel in einem realistischen Neuronmodell mit voller Morphologie erklären die Daten von timing-, raten- und spannungsabhängigen Plastizitätsprotokollen. Die Lernregel hat auch eine intrinsische Abhängigkeit von der Position der Synapse, welche mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Darüber hinaus kann die Lernregel ohne zusätzliche Annahmen metaplastische Phänomene erklären. Dabei sagt der Ansatz eine neue Form der Metaplastizität voraus, welche die timing-abhängige Plastizität beeinflusst. Die formulierte Lernregel führt zu zwei neuartigen Vereinheitlichungen für synaptische Plastizität: Erstens zeigt sie, dass die verschiedenen Phänomene der synaptischen Plastizität als Folge eines einzigen funktionalen Ziels verstanden werden können. Und zweitens überbrückt der Ansatz die Lücke zwischen der funktionalen und mechanistische Beschreibungsweise. Das vorgeschlagene funktionale Ziel führt zu einer Lernregel mit biophysikalischer Formulierung, welche mit etablierten Theorien der biologischen Mechanismen in Verbindung gebracht werden kann. Außerdem kann das Ziel einer spärlichen Verteilung der synaptischen Stärke als Beitrag zu einer energieeffizienten synaptischen Signalübertragung und optimierten Codierung interpretiert werden.
ADHS im Erwachsenenalter ist eine komplexe Erkrankung, die durch verschiedene diagnostische Instrumente erfasst wird. Aktuell spielen dabei vor allem die klinische Exploration, Interview- und Fragebogendaten eine Rolle.
Obwohl bei Patient*innen vielfältige kognitive Einschränkungen bestehen, wird die Verwendung neuropsychologischer Daueraufmerksamkeitstests (CPTs) in den klinischen Leitlinien nur ergänzend erwähnt. Validität und Nützlichkeit von CPTs bei ADHS Patient*innen wird aufgrund der mangelnden Sensitivität und
Spezifität immer wieder kritisch diskutiert. Multidimensionale Ansätze, in denen verschiedene neuropsychologische Beurteilungen mit klinischen Parametern kombiniert werden, sollen das Aufstellen einer ADHS Diagnose im Erwachsenenalter verbessern. Die vorliegende Studie untersucht zwei verschiedene CPTs bezüglich deren Vergleichbarkeit und deren Verknüpfung mit klinischen Parametern. Ein direkter Vergleich innerhalb derselben Stichprobe ist bisher nicht durchgeführt worden, könnte jedoch wichtige Implikationen für die Testauswahl und darauffolgende klinische Interventionen haben. Die klinische Stichprobe besteht aus zufällig ausgewählten erwachsenen Patient*innen, die sich in der ADHS Ambulanz der Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Universitätsklinikums Frankfurt zur diagnostischen ADHS Beurteilung zwischen Mai und November 2019 vorstellten. Die Patient*innen wurden von erfahrenen Ärzt*innen mithilfe des strukturierten diagnostischen Interviews für ADHS bei Erwachsenen (DIVA 2.0) befragt. Au§erdem wurden Schulzeugnisse bewertet und die medizinische Vorgeschichte erhoben. Anschließend wurden die Patient*innen mit dem Wender-Reimherr Interview (WRI) von einer unabhängigen Interviewerin befragt und füllten die folgenden Selbstbeurteilungsfragebögen aus: Kurzform der Wender-Utah Rating Scale (WURS-k), Impulsive Behavior Scale (UPPS) und General Health Questionnaire (GHQ-28). Alle Patient*innen nahmen anschließend an der Testung mit zwei CPTs teil: dem Quantified Behavior Test (Qb-Test) und Nesplora Aquarium [9]. Der Qb-Test misst neben Unaufmerksamkeit und Impulsivität auch Hyperaktivität mithilfe einer Infrarot Kamera und eines Reflektors, welche das Bewegungsmuster während der Testung aufzeichnen. In Nesplora Aquarium wird virtuelle Realität genutzt, um das Bewegungsmuster mithilfe eines optischen Gerätes, das mit Sensoren und Lautsprechern ausgestattet ist, aufzuzeichnen. Es zeigte sich, dass die übergreifende Vergleichbarkeit beider Tests begrenzt ist. Trotz der kongruenten Messung von Unaufmerksamkeit in beiden Tests konnten keine Korrelationen mit den klinischen Parametern festgestellt werden. Hyperaktivität ist in beiden Tests positiv mit aktuellen ADHS Symptomen assoziiert, wobei der Qb-Test darüber hinaus noch Korrelationen mit ADHS Symptomen aus der Kindheit aufweist. Impulsivität stellte sich als ein unabhängiges Konstrukt heraus, sowohl die Korrelation zwischen beiden Tests als auch die Assoziation mit klinischen Parametern betreffend. Dies stellt in Frage, ob ein homogenes mpulsivitätskonstrukt existiert, welches sich in neuropsychologischen Tests und klinischen Symptomen abbildet. Insgesamt ermöglicht die Studie einen guten Vergleich beider CPTs und zeigt detaillierte Informationen über die
Kompatibilität mit klinischen Symptomen auf. Unaufmerksamkeit stellte sich als ein basaler Faktor heraus, der zwischen beiden Tests über alle Patient*innen hinweg überlappt. Da dieser Faktor jedoch nicht mit klinischen Parametern korreliert, unterstreicht dies die Problematik, subjektive mit objektiven Methoden in der ADHS Diagnostik zu verbinden. Die aktuellen Ergebnisse bezweifeln die einfache Anwendung sogenannter objektiver Messverfahren in der klinischen ADHS Diagnostik aufgrund ihrer fragwürdigen Validität. Die Ergebnisse der Studie verdeutlichen die Notwendigkeit eines neuen diagnostischen Ansatzes im Sinne der Präzisionsmedizin, welcher über die konventionellen Klassifikationssysteme hinaus passende individuelle Lösungen für Diagnostik und Behandlung ermöglicht.
In der vorliegenden Dissertation wird auf diesen Ergebnissen basierend der Goldstandard der aktuellen ADHS-Diagnostik unter Beachtung der Leitlinien diskutiert. Die untersuchten CPTs werden unter Berücksichtigung der Gütekriterien guter diagnostischer Verfahren überprüft. Das Potenzial neuropsychologischer Testverfahren im Hinblick auf die Steigerung von Objektivität, Validität und Differenziertheit der Diagnosen wird untersucht und Empfehlungen für die klinische Anwendung formuliert.
Bei endogenen Retroviren handelt es sich um feste Bestandteile des Genoms. Im Fall von PERV (porzine endogene Retroviren) existieren zusätzlich infektiöse, xenotrope Vertreter. Aufgrund dieser Tatsache ist es notwendig, diese replikationskompetenten Proviren aus dem Genom potentieller Donortiere für die Xenotransplantation zu entfernen. Mit dem Wissen um die chromosomale Lage und der damit verbundenen Möglichkeit des Nachweises per PCR wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass aufgrund einer polymorphen Verteilung ein Ausschluss dieser funktionellen Proviren, mittels konventioneller Züchtung, möglich ist. Allerdings stellen sowohl die deletierten und mutierten proviralen Sequenzen durch eine Rekombination oder eine Komplementation, als auch ekotrope PERV-C ein Restrisiko im Falle einer Xenotransplantation dar. Es ist eine PERV-A/C Rekombinante beschrieben ex vivo worden, welche eine höhere Infektiösität aufweist als alle bisher untersuchten PERV. Bis auf die Rezeptor-Bindedomäne stellt dieses Virus ein PERV-C dar. Deshalb sollten chromosomal PERV-C identifiziert werden, um bei polymorpher Verteilung im Schweinegenom durch entsprechende Züchtung diese aus dem Genom heraushalten zu können. Im Rahmen dieser Arbeit ist es mit Hilfe einer speziellen PCR gelungen sieben Integrationsorte von PERV-C zu identifizieren. Da das Genom des Schweins bisher noch nicht komplett sequenziert ist, war es noch nicht möglich die gefundenen chromosomalen Bereiche zu kartieren. Dies wäre wiederum die Basis für eine Durchmusterung von Schweinen auf die Anwesenheit der gefundenen Proviren. Des Weiteren ist noch nicht bekannt, ob es sich bei diesen PERV-C um vollständige Proviren handelt, da aufgrund der verwendeten PCR und der sehr hohen Homologie verschiedener PERV untereinander nur provirale 3'Enden mit entsprechenden Flanken identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden in den Proben transgener Schweine PERV-C env spezifische Anteile nachgewiesen. Die Verteilung dieser Sequenzen, welche ebenfalls polymorph ist, gibt zwar keinen Aufschluss über die Anwesenheit eines Volllängen Provirus, jedoch ist aufgrund dieser Verteilung gleichfalls ein Ausschluss dieses Virus durch herkömmliche Züchtung möglich. Auf der anderen Seite besteht ein weiteres Risiko nach einer Xenotransplantation, wenn ein infektiöses PERV durch Komplementation gebildet wird, welches als Erbinformation ein env-deletiertes Provirus trägt. Das komplementierte PERV könnte potentiell, nach erfolgter Xenotransplantation, menschliche Zellen infizieren. Daraufhin wäre es zwar nicht mehr in der Lage infektiöse Partikel zu bilden, jedoch besteht noch das Risiko einer Retrotransposition, welche an sich schon mutagen wirkt. Zusätzlich könnten durch diesen Vorgang Gene zerstört oder Onkogene angeschaltet werden. Um dieses Risiko abschätzen zu können, wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Proviren von PERV-B(33) und MoMLV (Positivkontrolle) hergestellt und in einem Retrotranspositions Assay getestet. Die Modifikation der Proviren beinhaltete die Deletion des für die Retrotransposition nicht notwendigen env-Leserahmens, im Austausch gegen eine inserierte Indikatorkassette für die Retrotransposition (neoint). Im Rahmen der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente konnte im Fall des Molekularklons PERV-B(33) eine Frequenz der Retrotransposition von maximal 1,2*10-6 pro Zelle und Generation ermittelt werden. Demzufolge stellt eine Retrotransposition von env-deletierten proviralen porzinen Sequenzen nach erfolgter Xenotransplantation ein minimales Risiko dar.
First-principles modeling techniques offer the ability to simulate a wide range of systems under different physical conditions, such as temperature, pressure, and composition, without relying on empirical knowledge. Density functional theory (DFT), a quantum mechanical method, has become an exceptionally successful framework for materials science modeling. Employing DFT makes it possible to gain valuable insights into the fundamental state of a system, enabling the reliable determination of equilibrium crystal structures. Over time, DFT has become an essential tool that can be incorporated into various schemes for predicting the properties of a material related to its structure, insulating/metallic behavior, magnetism, and optics. DFT is regularly applied in numerous fields, spanning from fundamental subjects in condensed matter physics to the study of large-scale phenomena in geosciences. In the latter, the effectiveness of DFT stems from its ability to simulate the properties found on the Earth, other planets, and meteorites, which may pose challenges for their direct study or laboratory investigation.
In this thesis, a comprehensive examination of a family of monosulfides and a perovskite heterostructure was conducted. These materials are relevant for their potential applications in technology, energy harvesting, and in the case of monosulfides, their speculated abundance on the planet Mercury.
Firstly, a DFT approach was used to analyze two non-magnetic monosulfides, CaS and MgS. We determined their structural properties and then focused on the modeling of their reflectivity in the infrared region. The calculation of the reflectivity considered both harmonic and anharmonic contributions. In the harmonic limit, the non-analytic correction was employed to accurately determine the LO/TO splitting, which is necessary to delimit the retstrahlend band, that is, the maximum of the reflectivity. The anharmonic effects given by up to three-phonon and isotopic scatterings, which were included using perturbation theory, primarily smeared the reflectivity spectra edges in the high-wave region.
Secondly, four polymorphs of MnS were studied using a combination of first-principles methods to simulate their antiferromagnetic (AFM) and paramagnetic (PM) states. The integration of DFT+$U$ with special quasirandom structures (SQS) supercells, and occupation matrix control techniques was crucial for achieving convergence, structural optimization accuracy, and obtaining finite energy band gaps and local magnetic moments in the PM phases. The addition of the Hubbard $U$ correction was necessary to treat the highly-correlated Mn $d$-electrons. The success of our approach was clear based on our electronic structure predictions for the PM rock-salt B1-MnS polymorph. Experimentally this phase has been observed to be an insulator, but multiple \emph{ab initio} works resulted previously in metallic behavior. Our computations, on the other hand, predicted insulating and magnetic properties that compare well with available measurements. Additionally, the pressure-field stability of the four MnS polymorphs was studied. In the case of the PM phases, B1-MnS was identified to be the most stable up to about 21 GPa, then transforming into the B31-MnS polymorph. This finding was in close agreement with high-pressure experiments reporting a similar phase transformation. The optical properties of B1-, B4-, and B31-MnS were also simulated. The SQS technique was used to obtain soft-mode-free phonon band structures within the harmonic approximation. Then, the anharmonic effects were included, and the reflectivity was calculated for B1-MnS and B4-MnS. In both cases, a good agreement for the LO/TO splitting was achieved in comparison to experimental results.
Lastly, the oxygen-deficient heterostructure of LaAlO$_{3-\delta}$ /SrTiO$_{3-\delta}$ was investigated also employing DFT+$U$, with a particular emphasis on the potential impact of vacancy clustering at the interface. Six distinct configurations of pairs of vacancies were studied and their energies were compared to find the most stable one. The orbital reconstruction of Ti orbitals was also examined based on their location with respect to the vacancies and the local magnetic moments were calculated. The final results showed that linearly arranged vacancies located opposite to Ti ions give the most energetically stable configuration.
The ab-initio molecular dynamics framework has been the cornerstone of computational solid state physics in the last few decades. Although it is already a mature field it is still rapidly developing to accommodate the growth in solid state research as well as to efficiently utilize the increase in computing power. Starting from the first principles, the ab-initio molecular dynamics provides essential information about structural and electronic properties of matter under various external conditions. In this thesis we use the ab-initio molecular dynamics to study the behavior of BaFe2As2 and CaFe2As2 under the application of external pressure. BaFe2As2 and CaFe2As2 belong to the family of iron based superconductors which are a novel and promising superconducting materials. The application of pressure is one of two key methods by which electronic and structural properties of iron based superconductors can be modified, the other one being doping (or chemical pressure). In particular, it has been noted that pressure conditions have an important effect, but their exact role is not fully understood. To better understand the effect of different pressure conditions we have performed a series of ab-initio simulations of pressure application. In order to apply the pressure with arbitrary stress tensor we have developed a method based on the Fast Inertial Relaxation Engine, whereby the unit cell and the atomic positions are evolved according to the metadynamical equations of motion. We have found that the application of hydrostatic and c axis uniaxial pressure induces a phase transition from the magnetically ordered orthorhombic phase to the non-magnetic collapsed tetragonal phase in both BaFe2As2 and CaFe2As2. In the case of BaFe2As2, an intermediate tetragonal non-magnetic tetragonal phase is observed in addition. Application of the uniaxial pressure parallel to the c axis reduces the critical pressure of the phase transition by an order of magnitude, in agreement with the experimental findings. The in-plane pressure application did not result in transition to the non-magnetic tetragonal phase and instead, rotation of the magnetic order direction could be observed. This is discussed in the context of Ginzburg-Landau theory. We have also found that the magnetostructural phase transition is accompanied by a change in the Fermi surface topology, whereby the hole cylinders centered around the Gamma point disappear, restricting the possible Cooper pair scattering channels in the tetragonal phase. Our calculations also permit us to estimate the bulk moduli and the orthorhombic elastic constants of BaFe2As2 and CaFe2As2.
To study the electronic structure in systems with broken translational symmetry, such as doped iron based superconductors, it is necessary to develop a method to unfold the complicated bandstructures arising from the supercell calculations. In this thesis we present the unfolding method based on group theoretical techniques. We achieve the unfolding by employing induced irreducible representations of space groups. The unique feature of our method is that it treats the point group operations on an equal footing with the translations. This permits us to unfold the bandstructures beyond the limit of translation symmetry and also formulate the tight-binding models of reduced dimensionality if certain conditions are met. Inclusion of point group operations in the unfolding formalism allows us to reach important conclusions about the two versus one iron picture in iron based superconductors.
And finally, we present the results of ab-initio structure prediction in the cases of giant volume collapse in MnS2 and alkaline doped picene. In the case of MnS2, a previously unobserved high pressure arsenopyrite structure of MnS2 is predicted and stability regions for the two competing metastable phases under pressure are determined. In the case of alkaline doped picene, crystal structures with different levels of doping were predicted and used to study the role of electronic correlations.
Im Rahmen dieser Dissertation sollte der Effekt der Zelldichte auf Proliferation und Apoptose bei der RKO-Rektumkarzinomzelllinie untersucht werden. Neben Invasion, Entdifferenzierung und Metastasierung kann bei Krebserkrankungen auch eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit zu den Charakteristika der Malignität gezählt werden. Bei Leukämien, Lymphomen und bestimmten soliden Tumoren, bei denen eine chirurgische Resektion nur eingeschränkt möglich ist, bedeutet jedoch ein langsames Wachstum, d.h. eine geringe Proliferation der Tumorzellen, in der Regel keine verbesserte Prognose, da sie mit schlechterem Ansprechen auf Chemotherapie und Bestrahlung einhergeht. Die molekularen Ursachen dieser Behandlungsresistenz sind bisher nicht vollständig geklärt und wahrscheinlich nicht bei allen Krebserkrankungen auf identischen Mechanismen beruhend. Vorstellbar ist, dass sich das Gesamtsystem der Zelle während des Teilungsprozesses sensibler gegenüber Schädigungen der DNA, wie sie durch Bestrahlung und die meisten Chemotherapeutika ausgelöst werden, präsentiert. Dies kann durch unterschiedlichste molekulare Mechanismen verursacht sein. Um den möglichen Einfluss des Proliferationsverhaltens einer Zellpopulation auf das Apoptose-Verhalten zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit versucht, die Proliferationsgeschwindigkeit einer Zellkultur mittels Dichte-Arretierung zu senken. Hierzu wurden RKO-Zellen in konfluenter und subkonfluenter Dichte kultiviert. Ebenfalls wurden Unterschiede bei der Verteilung der Zellen auf die verschiedenen Zellzyklusphasen ermittelt. Durch Inkubation mit CD95L konnte dann ein Zusammenhang von Proliferation und Apoptosesensitivität ermittelt werden, d.h. die „Zellzyklusabhängigkeit“ der CD95L-induzierte Apoptose untersucht werden. Hierbei zeigten sich Zellen mit geringerer Proliferationsrate resistenter gegenüber CD95L. Verschiedene Methoden (z.B. Western-Blot-Analyse, FACS-Messungen) wurden zur Aufklärung der molekularen Ursachen genutzt. Die Arbeit zeigte auch das Vorhandensein eines molekular nicht identifizierten, autokrin in das Medium sezernierten Faktors, der zu verstärkter Resistenz gegenüber CD95L führte. Dieser Faktor erhöhte auch die Migration und Invasivität der RKO-Zellen und verstärkte damit die malignen Eigenschaften der Tumorzellen. Die zukünftige molekulare Identifikation dieses Faktors könnte therapeutisch bedeutsam sein.
Der 300 km breite Eucla Schelf Südaustraliens gehört zu den weltgrößten modernen nicht-tropischen Ablagerungssystemen. Während des Pleistozäns wurde hier ein etwa 500 m mächtiger pleistozäner Sedimentstapel abgelagert, der sich aus progradierenden Klinoformen zusammensetzt. Die Ocean Drilling Program Sites 1127, 1129 und 1131 bilden ein proximal-distal Profil entlang des Eucla Shelfs-Kontinentalhangs. Die dabei erbohrten pleistozänen Periplattform-Ablagerungen bestehen überwiegend aus bioklastenreichen, fein- bis grobkörnigen, unlithifizierten bis teilweise lithifizierten Pack-, Wacke- und Grainstones. Eine ausgeprägte sedimentäre Zyklizität der analysierten Ablagerungen drückt sich in Fluktuationen der Korngröße und der mineralogischen Zusammensetzung, der natürlichen Radioaktivität, der stabilen Isotope sowie in Veränderungen der Fazies aus. Zur Untersuchung der sedimentären Zyklizität dieser nicht-tropischen Sedimente wurden sechs Sedimentintervalle früh- bis mittelpleistozänen Alters innerhalb der Bohrungen Site 1127, 1129 und 1131 ausgewählt. Die früh- bis mittelpleistozäne Periplattform-Sedimentabfolge des Eucla Schelfs wird durch die Stapelung genetischer Sequenzen gebildet. Diese entstehen als eine Folge hochfrequenter Meeresspiegelschwankungen, die unmittelbare Auswirkungen auf den Grad der Überflutung und damit auf den Sedimentexport vom Eucla Schelf ins angrenzende Becken haben. Eine genetische Sequenz weist eine Mächtigkeit von etwa 25 m unmittelbar beckenwärts der Schelfkante auf. Die maximale Mächtigkeit von ca. 30 m wird in beckenwärtigeren Bereichen erreicht, bevor die genetische Sequenz erneut auskeilt und in den hier untersuchten distalsten Ablagerungsbereichen Mächtigkeiten von 10-15 m aufweist. Die Begrenzungen der genetischen Sequenzen werden durch abrupte Korngrößenwechsel oder durch Umkehrpunkte in Korngrößentrends gebildet. Innerhalb einer genetischen Sequenz werden Hochstands-Ablagerungen durch grobkörnige bioklastenreiche Pack- bis Grainstones charakterisiert, die wiederum große Mengen an Tunikaten Spikulae, braunen hoch-Mg Bioklasten und Bryozoen-Detritus beinhalten. Tiefstands-Ablagerungen andererseits werden durch feinkörnige Packstones mit erhöhten Gehalten an Schwammnadeln und Mikrit charakterisiert. Die metastabilen Karbonatmodifikationen Aragonit und Hoch-Mg Kalzit können jeweils bis zu 34 % der Gesamtprobe ausmachen und sind in Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands angereichert. Hauptaragonitbildner sind dabei Tunikaten Spikulae. Dolomit ist auf Ablagerungen des beginnenden Meeresspiegel-Anstiegs beschränkt. Die primäre Verteilung der metastabilen Karbonatmodifikationen innerhalb der genetischen Sequenzen führt so während späterer Versenkungsstadien möglicherweise zu einer differentiellen Diagenese. Die sedimentäre Zyklizität der Ablagerungen des späten Mittelpleistozäns unterscheidet sich von der Zyklizität des frühen- bis mittleren Pleistozäns durch eine Zunahme der Häufigkeit allochthoner Schelfkomponenten wie Rotalgen-Detritus und brauner Hoch-Mg Kalzit-Bioklasten. Zugleich zeigt sich ein Häufigkeits-Rückgang autochthoner Schwammnadeln. Diese Variationen während des frühen und mittleren Pleistozäns werden als eine Folge der Progradation der Schelfkante und der sich daraus ergebenden verändernden relativen Position zur Schelfkante sowie des sich verändernden Nährstoffeintrags interpretiert. Site 1127 zeigt darüberhinaus eine Verdopplung der Zyklenmächtigkeiten der mittelpleistozänen Ablagerungen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf Veränderungen der Erdorbitalparameter (Milankovitch-Zyklizität) zurückzuführen. Im letzten Teil der Arbeit werden die sedimentären Zyklizitäten dieser nicht-tropischen Periplattform-Karbonate mit pleistozänen tropischen Ablagerungen der westlichen Flanke der Großen Bahama Bank verglichen (ODP Site 1009). Die Gliederung in Coarsening Upward-Zyklen ist dabei ein wesentliches Merkmal sowohl der nicht-tropischen als auch der tropischen Periplattform-Karbonate. Im Gegensatz zu den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten werden jedoch tropische Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands durch feinkörniges, mikritreiches Material. Maxima des Aragonit- bzw. Minima des Hoch-Mg Kalzitgehalts charakterisiert. Die Mächtigkeit einzelner Zyklen von ca. 10 m ist darüberhinaus aufgrund geringfügig niedrigerer Sedimentationsraten geringer als in den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten, in denen die minimalen Zyklenmächtigkeiten 10-15 m betragen.
Hintergrund: Unter dem zunehmenden Druck gesundheitsökonomischer Aspekte sollen die seit geraumer Zeit diskutierten „Clinical pathways“ einerseits die Qualität der medizinischen Versorgung und andererseits die Effizienz von Krankenhausabläufen verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Abläufe der chirurgischen Behandlung der Arteria Carotis-Stenose an zwei europäischen Kliniken (Frankfurt am Main in Deutschland und New Castle in Großbritannien) zu evaluieren. Aus diesen Ergebnissen wurde ein „Clinical pathway“ erstellt, welcher mittels einer prospektiven Untersuchung einer dritten Gruppe auf seine Effizienz überprüft werden sollte. Methoden: Im Zeitraum zwischen Juni 1999 und Oktober 1999 wurden in Frankfurt Gruppe I 26 Patienten, in New Castle im Zeitraum vom 01. bis 30. September 2000 25 Patienten retrospektiv bezüglich demographischer Daten, Risikofaktoren, Begleiterkrankungen, klinischem Insuffizienzstadium, Häufigkeit und Durchführungszeitpunkt (ambulant/ stationär) von Standarduntersuchungen, stationärer Liegedauer (prä- und postoperativ), Anästhesieform, intraoperativem Monitoring und die klinischen Ergebnisse untersucht. Dabei war von Interesse, welchen finanziellen Rahmen dieses Krankheitsbild in den verschiedenen Bereichen in Anspruch nahm und ob es Unterschiede in den aufgezählten Bereichen zwischen Frankfurt I und New Castle gab. Nach der Datenerhebung wurde unter Einsicht der aktuellen Literatur erarbeitet, in welchen Bereichen eine Kosteneinsparung am ergiebigsten wäre. Unter Berücksichtigung aller oben genannten Faktoren wurde von Juli 2002 bis September 2002 prospektiv eine dritte Patientengruppe untersucht (Frankfurt Gruppe II), an der die gewonnenen Ergebnisse im Rahmen eines „clinical pathway“ umgesetzt wurden. Ergebnisse: Das Alter und die Verteilung des Geschlechts waren in den drei Gruppen annähernd gleich. Mit Ausnahme der peripheren vaskulären Gefäßerkrankung, welche in New Castle deutlich höher war, waren auch Risikofaktoren sowie Begleiterkrankungen in den 3 Gruppen vergleichbar. In Frankfurt Gruppe I wurden präoperativ bei 65% der Patienten eine Angiographie und in New Castle standardmäßig bei allen Patienten diese Untersuchung durchgeführt. In Frankfurt Gruppe II lediglich bei 30%. In Frankfurt Gruppe I wurden im Untersuchungszeitraum vorrangig asymptomatische Stenosen Stadium I mit einer hochgradigen bis filiformen Lumeneinengung operiert (61,5%). In New Castle wiesen 68% der Patienten eine symptomatische ACI-Stenose Stadium II mit einer Lumeneinengung >75% auf. In Frankfurt Gruppe II fand man in 60% Stadium IV Patienten. In Frankfurt Gruppe I wurden alle Eingriffe während des Evaluationszeitraums in Intubationsnarkose durchgeführt, wobei in zwei Fällen eine zweite Operation in der gleichen Sitzung durchgeführt wurde. In New Castle wurden 8 Patienten in Regionalanästhesie operiert, wobei in einem Fall auf eine Intubationsnarkose gewechselt werden musste. In Frankfurt Gruppe II wurden alle Patienten in Intubationsnarkose operiert. In Frankfurt Gruppe I wurden 46% der Patienten vorübergehend auf der Intensivstation beaufsichtigt, in New Castle wurde ein Patient intensivmedizinisch versorgt, in Frankfurt Gruppe II waren es 30%. Die stationäre Gesamtaufenthaltsdauer betrug in Frankfurt Gruppe I 10 Tage. Davon waren im Durchschnitt 4,0 ± 3,3 Tage präoperativ und 6,0 ± 2,6 Tage postoperativ. Von insgesamt 5 Tagen war der Patient in New Castle im Durchschnitt 4,0 ± 3,3 Tage präoperativ und 1,0 ± 1,2 Tag postoperativ stationär untergebracht. In Frankfurt Gruppe II war ein Patient im Durchschnitt 6 Tage stationär. Davon 2,0 ± 1,3 Tage präoperativ und 4,0 ± 1,6 Tage postoperativ im Mittelwert. Bei jeweils einem Patienten an beiden Kliniken musste ein Revisionseingriff aufgrund einer Nachblutung vorgenommen werden (Frankfurt Gruppe I und New Castle). Keine Klinik wies einen postoperativen Todesfall auf. In Frankfurt Gruppe I fanden sich postoperativ 4 reversible und keine permanenten neurologischen Defizite. In New Castle waren 1 reversibles und 2 permanente Defizite zu verzeichnen. In Frankfurt Gruppe II fand man 1 passageres Defizit und 6 permanente Defizite. Von diesen Defiziten waren 6 periphere und 1 zentral neurologisch. Die Kosten für eine Standard Carotis-TEA betrugen in der Frankfurt Gruppe I 2.755,10 Euro, in New Castle 2.497,96 Euro und als Ergebnis der Umsetzung des „clinical pathways“ in der Frankfurt Gruppe II 2.372,45 Euro jeweils im Mittelwert. Anhand von Literaturrecherchen und Beurteilung der Ergebnisse aus der Frankfurt Gruppe I und New Castle ergab sich, nach Umsetzung eines „clinical pathway“ in der Frankfurt II Gruppe, dass eine Kosteneinsparung durch eine gezieltere Führung jedes Patienten ohne Erhöhung der Morbidität und Mortalität möglich ist. Diese gezielte Führung beinhaltet die Unterteilung der Patienten in eine von drei Einheiten, je nach zerebralem Insuffizienzstadium der Erkrankung und Compliance des Patienten (erte Einheit für das Insuffizienzstadium I und II, zweite Einheit für das Stadium IV und dritte Einheit für Patienten aus einer neurologischen Klinik). Ziel der Einheit 1 ist die ambulante Diagnostik mit Operation am Aufnahmetag, postoperativer Betreuung über den AWR und Entlassung spätestens am 2. postoperativen Tag. In der Einheit 2 soll der Patient versorgt werden, welcher aufgrund seiner fortgeschrittenen Erkrankung mehr Zuwendung benötigt. Hier erfolgt die gesamte Diagnostik stationär. Die postoperative Betreuung richtete sich individuell nach dem Zustand des Patienten, jedoch mit dem primären Ziel eine Versorgung über den AWR anzustreben. Die Einheit 3 ist für Patienten vorgesehen, welche mit der kompletten präoperativen Diagnostik von einer vornehmlich neurologischen Abteilung zum operativen Eingriff verlegt werden. Für diese Patienten wird postoperativ ein Bett auf der Intensivstation bereit gestellt. Sobald es der Zustand des Patienten erlaubt, wird er zur weiterführenden Behandlung in seine präoperative Klinik zurückverlegt. Durch die Zuteilung der Patienten zu einem der„clinical pathways“/ Einheiten war es möglich, zum einen die Anzahl der stationären Tage und zum anderen die Therapie von Patienten auf der Intensivstation zu reduzieren. Dieses wurde erreicht, obwohl 60% der Patienten der Frankfurt II Gruppe ein Insuffizienzstadium IV aufwiesen, im Vergleich zu „nur“ 10% und 20% in der Frankfurt Gruppe I und in New Castle. Durch die Behandlung nach einem dieser drei „clinical pathways“/ Einheiten konnte bei gleichbleibendem Behandlungserfolg eine Kostenreduktion von 14% erzielt werden.
Zahnfarbene, ästhetisch unauffällige Brackets bestehen meist aus Keramik oder Kunststoff. Besonders Keramikbrackets weisen durch den starken Haftverbund zum Zahn ein gewisses Risiko der Gefährdung von Zahnhartsubstanz beim Debonding auf. Klinisch sollte eine Haftkraft von 5-10 MPa erreicht werden, damit die einwirkenden therapeutischen Kräfte nicht zum Verlust des Brackets führen. Ziel der Studie war es, ein neuartiges selbstligierendes Bracket (Opal/Ultradent) aus glasfaserverstärktem Kunststoff auf die Haftfestigkeit und das Risikopotenzial beim Debonding zu testen und mit Keramik-Brackets und einem weit verbreiteten Standard-Metall-Bracket zu vergleichen. Es wurden neben dem Opal-Bracket (Ultradent) vier Keramik-Brackets (Clarity/ 3M, Fascination2/ Dentaurum, Aspire/ Forestadent, Inspire Ice/ Ormco) und ein Metall-Bracket (Victory/ 3M) mit dem vom Hersteller empfohlenen Adhäsivsystem getestet. Die zur Untersuchung der Haftfestigkeit verwendeten 120 humanen Weisheitszähne wurden für 7 Tage in einer 0.5 % Chloramin T-Lösung und anschließend in Wasser gelagert und danach nochmals mikroskopisch auf Unversehrtheit des Zahnschmelzes überprüft. Mit einer Messschablone wurde der Krümmungsradius der bukkalen Flächen überprüft. Der Krümmungsradius der Zahnoberfläche durfte nicht kleiner als 12,5mm sein. Nach gründlicher Reinigung mit Bimsmehl wurden die Weisheitszähne auf sechs Gruppen mit jeweils 20 Brackets aufgeteilt. Die Brackets wurden mit dem vom Hersteller empfohlenem Adhäsiv- Primer-System nach Herstellerangaben auf die Schmelzoberfläche geklebt. Alle Prüfkörper wurden mit einer Einbetthilfe in Palapress Vario (Heraeus Kulzer) eingebettet und anschließend in einer selbst hergestellten Justierhilfe einheitlich ausgerichtet. Nach einer Lagerungszeit von 24 Stunden in Wasser bei 37° C erfolgte die Abscherung der Prüfkörper nacheinander im rechten Winkel zur Bracketbasis mit der Zwick-Universalprüfmaschine (Ulm, Germany). Die Vorschubgeschwindigkeit betrug 1mm/min. Der Weg bis zum Abscheren und die dazu benötigte Kraft eines jeden Prüfkörpers wurden digital aufgezeichnet. Anhand der Fläche der Bracketbasis, der Abscherkraft und dem dazu benötigten Weg konnten die Haftfestigkeiten in MPa umgerechnet und miteinander verglichen werden. Der Gruppenvergleich erfolgte mit dem ANOVA und Scheffe-Test. Die Zahnoberflächen wurden zusätzlich mikroskopisch auf Schmelzdefekte überprüft. Das Metall-Bracket, das als Vergleichs- und Normierungsgröße diente, zeigte eine mittlere Haftfestigkeit von 10,2 MPa. Das Opal-Bracket wies mit 4,17 MPa die signifikant niedrigste durchschnittliche Haftkraft auf. Es erreichte nicht die klinisch ausreichende Haftkraft von 6 MPa. Die Keramik-Brackets erzielten mit 14.7 MPa (Clarity), 15,3 MPa (Aspire) und 14.7 MPa (Inspire Ice) ähnliche Haftwerte, ohne zu Hartsubstanzdefekten zu führen. Bei Fascination2 mit einer durchschnittlichen Haftkraft von 19,7 MPa konnten nach dem Debonding bei ca. 1/3 der Proben Schmelzausrisse nachgewiesen werden. Fascination2 zeigte im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant höhere Haftwerte (19,7 MPa). Die Haftfestigkeit des Opal-Brackets scheint im Vergleich zu den in der Literatur geforderten Angaben für die sichere klinische Anwendung zu gering. Die Haftkraft von Fascination2 (Dentaurum) ist durch die zeitweise auftretenden Schmelzausrisse für ein sicheres Debonding als zu hoch zu bewerten. Die anderen Keramik-Brackets zeigen ein gutes Verhältnis zwischen sicherer Entfernbarkeit und ausreichendem Haftverbund und bieten eine Alternative zu den Metallbrackets.
Einführung: Eitrige und abszedierende Infektionen sind ein häufiges Problem in der zahnärztlichen, oral- und kieferchirurgischen Praxis. Bei entsprechender Indikation finden Antibiotika zur Therapie von odontogenen Infektionen oder Weichteilinfektionen im Bereich des Kopfes Einsatz. Auch prophylaktische Gaben von Antibiotika sind in diesem Fachgebiet nicht selten. Deswegen sollte die kalkulierte antiinfektive Chemotherapie auf soliden pharmakologischen Daten beruhen.
Material und Methoden: Von 520 Patienten der mund-kiefer-gesichtschirurgischen Praxisklinik Kaufbeuren wurden die 1.182 antibiotischen in vitro Testungen aus dem Zeitraum 22.11.2010 bis 31.12.2016 ausgewertet. Das Durchschnittsalter der 51% weiblichen und 49% männlichen Patienten betrug 49,1 Jahre. Die Patienten wurden stratifiziert nach Diagnosen, Gesundheitszustand und Alter. Es wurden die Ergebnisse der Suszeptibilitätstestungen folgender gängiger Antibiotika ausgewertet: Amoxicillin/Clavulansäure, Ampicillin, Oxacillin, Penicillin G/V, Cefazolin, Cefuroxim, Cefpodoxim, Azithromycin, Clarithromycin, Erythromycin, Ciprofloxacin, Levofloxacin, Moxifloxacin, Ofloxacin, Clindamycin, Gentamycin, Cotrimoxazol, Doxycyclin und Metronidazol.
Ergebnisse: Im Mittel (alle getesteten Keime) liefern Amoxicillin/Clavulansäure (96,6%), Cefpodoxim (95,7%), Cefuroxim (90,1%) und Moxifloxacin (91,0%) durchgängig sehr gute Sensibilitätswerte bei hoher statistischer Signifikanz (p<0,001).
Für Ampicillin (86,3%), Cefazolin (85,5%), Levofloxacin (82,5%), Cotrimoxazol (77,5%), Doxycyclin (75,0%), Penicillin G/V (72,5%), Clindamycin (61,8%), Azithromycin (59,9%), Clarithromycin (59,6%), Oxacillin (54,0%), Erythromycin (51,7%) und Ciprofloxacin (36,2%) lagen die getesteten durchschnittlichen Sensibilitäten deutlich niedriger mit je nach Untergruppe deutlichen Unterschieden.
Konklusion: Die von uns ermittelten in vitro Suszeptibilitäten von Amoxicillin/ Clavulansäure, Cefpodoxim, Cefuroxim und Moxifloxacin unterstützen die Empfehlung zum therapeutischen Einsatz bei odontogenen Infektionen oder Weichteilinfektionen im Kopf-Hals-Bereich sowie deren prophylaktische Verwendung zum Beispiel bei Endokarditis-Risiken in der Zahnmedizin oder Mund-/Kiefer-/Gesichtschirurgie.
Acceleration of Biomedical Image Processing and Reconstruction with FPGAs
Increasing chip sizes and better programming tools have made it possible to increase the boundaries of application acceleration with reconfigurable computer chips. In this thesis the potential of acceleration with Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) is examined for applications that perform biomedical image processing and reconstruction. The dataflow paradigm was used to port the analysis of image data for localization microscopy and for 3D electron tomography from an imperative description towards the FPGA for the first time.
After the primitives of image processing on FPGAs are presented, a general workflow is given for analyzing imperative source code and converting it to a hardware pipeline where every node processes image data in parallel. The theoretical foundation is then used to accelerate both example applications. For localization microscopy, an acceleration of 185 compared to an Intel i5 450 CPU was achieved, and electron tomography could be sped up by a factor of 5 over an Nvidia Tesla C1060 graphics card while maintaining full accuracy in both cases.
Mitochondial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) the largest multiprotein enzyme of the respiratory chain, catalyses the transfer of two electrons from NADH to ubiquinone, coupled to the translocation of four protons across the membrane. In addition to the 14 strictly conserved central subunits it contains a variable number of accessory subunits. At present, the best characterized enzyme is complex I from bovine heart with a molecular mass of about 980 kDa and 32 accessory proteins. In this study, the subunit composition of mitochondrial complex I from the aerobic yeast Y. lipolytica has been analysed by a combination of proteomic and genomic approaches. The sequences of 37 complex I subunits were identified. The sum of their individual molecular masses (about 930 kDa) was consistent with the native molecular weight of approximately 900 kDa for Y. lipolytica complex I obtained by BN-PAGE. A genomic analysis with Y. lipolytica and other eukaryotic databases to search for homologues of complex I subunits revealed 31 conserved proteins among the examined species. A novel protein named “X” was found in purified Y. lipolytica complex I by MALDI-MS. This protein exhibits homology to the thiosulfate sulfurtransferase enzyme referred to as rhodanese. The finding of a rhodanese-like protein in isolated complex I of Y. lipolytica allows to assume a special regulatory mechanism of complex I activity through control of the status of its iron-sulfur clusters. The second part of this study was aimed at investigating the possible role of one of these extra subunits, 39 kDa (NUEM) subunit which is related to the SDRs-enzyme family. The members of this family function in different redox and isomerization reactions and contain a conserved NAD(P)H-binding site. It was proposed that the 39 kDa subunit may be involved in a biosynthetic pathway, but the role of this subunit in complex I is unknown. In contrast to the situation in N. crassa, deletion of the 39 kDa encoding gene in Y. lipolytica led to the absence of fully assembled complex I. This result might indicate a different pathway of complex I assembly in both organisms. Several site-directed mutations were generated in the nucleotide binding motif. These had either no effect on enzyme activity and NADPH binding, or prevented complex I assembly. Mutations of arginine-65 that is located at the end of the second b-strand and responsible for selective interaction with the 2’-phosphate group of NADPH retained complex I activity in mitochondrial membranes but the affinity for the cofactor was markedly decreased. Purification of complex I from mutants resulted in decrease or loss of ubiquinone reductase activity. It is very likely that replacement of R65 not only led to a decrease in affinity for NADPH but also caused instability of the enzyme due to steric changes in the 39 kDa subunit. These data indicate that NADPH bound to the 39 kDa subunit (NUEM) is not essential for complex I activity, but probably involved in complex I assembly in Y. lipolytica.
Der Begriff psychologische Akkulturation beschreibt jene Veränderungen, die infolge des dauerhaften Aufeinandertreffens verschiedener kultureller Gruppen auf individueller Ebene zu beobachten sind (Berry, 1997). Die vorliegende Arbeit umfasst drei Publikationen, die sich mit Akkulturationsprozessen von Kindern und Jugendlichen mit Migrationshintergrund in Deutschland befassen. Zunächst wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zur Situation junger Migranten in Deutschland vorgelegt. An zentraler Stelle steht dabei die Frage, wie die Migrationsgeschichte und Immigrationspolitik Deutschlands sowie die öffentliche Einstellung gegenüber Migranten die transkulturelle Adaptation von Kindern und Jugendlichen nicht-deutscher ethno-kultureller Herkunft beeinflussen. Bereits bestehende wissenschaftliche Erkenntnisse werden verknüpft mit den Ergebnissen neuerer empirischer Studien um zu einem tieferen Verständnis der Ursachen für die vielfach berichteten problematischen Verläufe psychologischer und soziokultureller Adaptation von Migranten beizutragen. Neben anderen Risiken und protektiven Faktoren wird diskutiert, wie sich Besonderheiten Deutschlands als Aufnahmeland, wie z.B. die Eigenarten des Schulsystems, auf Adaptationsverläufe auswirken können. Unsere eigenen Studien tragen zum Verständnis der Anpassungsprozesse junger Migranten bei, indem sie aufzeigen, dass nicht die Akkulturationsstrategie der Integration, sondern speziell die Orientierung an der deutschen Kultur bei Individuen zu den günstigsten psychologischen und soziokulturellen Ergebnissen zu führen scheint. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin ein empirischer und methodologischer Beitrag zur Akkulturationsforschung geleistet, indem ein Messinstrument zur Erfassung psychologischer Akkulturation bei Kindern im deutschen Sprachraum – die Frankfurter Akkulturationsskala für Kinder (FRAKK-K)– entwickelt, validiert und schließlich anhand einer Fragestellung praktisch angewandt wird. Die Skalenentwicklung und –optimierung erfolgte auf der Grundlage von zwei Studien, welche Daten von 387 Grundschülern aus zwei städtischen Regionen in Deutschland umfassen (Frankenberg & Bongard, 2013). Die Ergebnisse konfirmatorischer Faktorenanalysen sprechen für zwei Faktoren, Orientierung an der Aufnahmekultur und Orientierung an der Herkunftskultur, die jeweils mittels 6 Items erfasst werden. Beide Subskalen weisen eine zufriedenstellende interne Reliabilität und Kriteriumsvalidität auf und lassen sich zwecks Erfassung der Akkulturationsstrategie kombinieren (i.e. Assimilation, Integration, Separation und Marginalisierung). In einer ersten praktischen Anwendung der Skala wird der Frage nachgegangen, inwiefern erweiterter Musikunterricht und Orchesterspiel in der Grundschule über verstärkte Gruppenkohäsion zur Förderung kultureller Integration beitragen können.
Grundschüler, die in einem Orchester gespielt haben, zeigen über einen Zeitraum von 1,5 Jahren einen stärkeren Anstieg der Orientierung an der deutschen Kultur als Schüler, die keinen erweiterten Musikunterricht erhielten. Musikschüler fühlen sich außerdem stärker in die Klassengemeinschaft integriert. Dies deutet darauf hin, dass die Erfahrung der Zusammenarbeit und des Musizierens innerhalb einer Gruppengemeinschaft zu einer stärkeren Orientierung an der deutschen Kultur geführt hat. Die Orientierung an der Herkunftskultur blieb unbeeinflusst. Somit können Programme, die jungen Migranten die Gelegenheit bieten Musik innerhalb einer größeren, kulturell heterogenen Gruppe aufzuführen, als eine effektive Intervention zur Förderung der kulturellen Anpassung an die Mehrheitskultur und der Integration innerhalb – und außerhalb – des Klassenzimmers führen.
Abschließend werden die Ergebnisse der empirischen Untersuchungen vor dem Hintergrund des aktuellen Forschungsstandes zu neueren Akkulturationsmodellen sowie zu der Terminologie und den methodischen Herausforderungen des Forschungsfeldes in Beziehung gesetzt und kritisch reflektiert. Daraus abgeleitet werden Implikationen für zukünftige Interventionen und Forschung diskutiert.
Acetaldehydaddukte an Hämoglobin werden als potentieller biochemischer Marker für Alkoholmissbrauch betrachtet, konnten aber bisher in vivo noch nicht eindeutig nachgewiesen werden. Es wurden Methoden entwickelt, um Acetaldehydmodifiziertes Hämoglobin sowohl nach Inkubation in vitro als auch in humanen Blutproben nachzuweisen. Verwendung fanden sowohl chromatographische als auch elektrophoretische Trennmethoden in Kombination mit unterschiedlichen Massenspektrometern zur Detektion. Es wurden unterschiedliche Patienten- und Probandenkollektive betrachtet. Aus Blutproben von Patienten aus Alkoholentzugskliniken, von Probanden eines kontrollierten Trinkversuches und Blutproben von Personen mit moderatem Alkoholkonsumverhalten wurde versucht, modifiziertes Hämoglobin mit Alkoholkonsum zu korrelieren. Desweiteren wurden Blutproben von Kindern untersucht, bei denen keine Alkoholexposition zu erwarten war, um eventuell vorhandenes endogenes modifiziertes Hämoglobin nachzuweisen. Zusätzlich zu den Untersuchungen in vitro und in vivo wurden auch post-mortale Proben analysiert, um modifiziertes Hämoglobin mit einem prämortalem Alkoholkonsum zu korrelieren und auf mögliche andere Einflüsse, insbesondere hinsichtlich post-mortaler Parameter zu untersuchen. Modifizierte Globinketten waren nach Synthese aus Hämoglobin und Acetaldehyd zugänglich und konnten in vitro nachgewiesen werden. Hierbei zeigte sich, dass Acetaldehyd auch mehrfach kovalent an beide Hämoglobinketten binden kann. Weder mehr- noch einfach modifizierte Hämoglobinketten konnten allerdings in authentischen humanen Blutproben nachgewiesen werden. Die Empfindlichkeit konnte jedoch nach proteolytischem Verdau so weit gesteigert werden, dass Acetaldehydmodifizierte Hämoglobinpeptide nicht nur nach Inkubation von Hämoglobin mit Acetaldehyd, sondern auch in authentischen Blutproben sämtlicher untersuchter Kollektive nachweisbar waren. Es wurde gezeigt, dass ein intermolekularer Austausch von Acetaldehyd nach proteolytischem Verdau zur Bildung eines Peptidadduktes am neu entstandenen N-Terminus des jeweiligen Peptides führen kann. Ein Hinweis auf andere mögliche Bindungsstellen ergab die Analyse des in vitro synthetisierten Peptides Hbα(17-31)2Ach mit zwei gebundenen Molekülen Acetaldehyd. Insgesamt konnten in authentischen Proben 10 Peptide mit Acetaldehydmodifikation, welche jeweils als chromatographisch trennbare Stereoisomere auftraten, nachgewiesen werden. Dies geht einher mit einer bereits vorgeschlagenen Bildung diastereomerer Imidazolidinonderivate. Acetaldehydmodifizierte Hämoglobinpeptide waren nicht nur in Proben von Patienten und Probanden mit nachweisbarem Blutalkohol vorhanden, sondern auch in Blutproben von Alkoholikern, Studenten und Kindern ohne akuten Alkoholkonsum. Der Nachweis dieser Addukte auch ohne exogene Alkohol- oder Acetaldehydexposition lässt darauf schliessen, dass diese posttranslationale Modifikation im menschlichen Körper abläuft, Acetaldehydaddukte also auch endogen gebildet werden. Ein erhöhtes Verhältnis von modifizierten Peptiden zu deren unmodifizierten Homologen zeigte sich konzentrationsabhängig nach Inkubation von Hämoglobin mit Acetaldehyd in vitro. Langfristiger zurückliegender Alkoholkonsum konnte in Studien mit Patienten einer Rehabilitationseinrichtung und mit Probanden mit moderatem Alkoholkonsum nicht mit Hämoglobinaddukten korreliert werden. Erhöhte Adduktverhältnisse im Vergleich mit Proben ohne Blutalkoholkonzentration des gleichen Kollektivs konnten bei Patienten einer Alkoholentzugsklinik, in post-mortalen Proben und im Rahmen eines kontrollierten Trinkversuches nachgewiesen werden. Die Kinetik der Bildung und Elimination Acetaldehydmodifizierten Hämoglobins wurde sowohl anhand von Blutproben von Patienten einer Alkoholentzugsklinik untersucht, erhöhte Adduktverhältnisse waren hier nur kürzer als 5 Tage nachweisbar. Diese schnelle Elimination wurde im Rahmen eines kontrollierten Trinkversuches bestätigt. Hierbei fand sich ein signifikanter Anstieg Acetaldehydmodifizierter Hämoglobinpeptide bereits nach einmaligem moderatem Alkoholkonsum, welcher bereits bei Blutalkoholkonzentrationen von durchschnittlich 0,12 g/L auftrat und noch mindestens 6 Stunden, aber nicht mehr 24 Stunden nach Trinkende anhielt. Daher liegt die mögliche Anwendung dieses empfindlichen Assays im Nachweis eines kurzfristigen Alkoholkonsums. Sämtliche Peptide wurden hinsichtlich Empfindlichkeit und Spezifität zur Identifizierung eines Alkoholkonsums sowohl in vivo als auch in post-mortalen Proben anhand unterschiedlicher Schwellenwerte untersucht. Desweiteren wurde für diese Peptide die analytische Präzision betrachtet. Als Markerpeptid eines kurzfristigen Alkoholkonsum sowohl in vivo als auch in post-mortalen Blutproben wird hierbei Hbα(32-40)Ach vorgeschlagen. Der mögliche Vorteil bei der Betrachtung dieses Peptids im Vergleich mit anderen bereits etablierten Markern zum Nachweis eines kurzfristigen Alkoholkonsums liegt in der für den Nachweis benötigten geringen Materialmenge, welche bei der Bestimmung mittels HPLC/TOF-MS 80μg Hämoglobin betrug, was etwa der Hämoglobinmenge entspricht, die in etwa 2,5 Millionen Erythrozyten, entsprechend 0,6 μl Blut enthalten ist. Denkbar ist dadurch die Bestimmung in Blutspuren, aus denen ansonsten kein Nachweis von Ethanol oder anderer Marker eines Alkoholkonsums möglich wäre, z.B. aus getrockneten Blutspuren.
The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a fundamental role in the fatty acid metabolism. It regulates the first and rate limiting step in the biosynthesis of fatty acids by catalyzing the carboxylation of acetyl-CoA to malonyl-CoA and exists as two different isoforms, ACC1 and ACC2. In the last few years, ACC has been reported as an attractive drug target for treating different diseases, such as insulin resistance, hepatic steatosis, dyslipidemia, obesity, metabolic syndrome and nonalcoholic fatty liver disease. An altered fatty acid metabolism is also associated with cancer cell proliferation. In general, the inhibition of ACC provides two possibilities to regulate the fatty acid metabolism: It blocks the de novo lipogenesis in lipogenic tissues and stimulates the mitochondrial fatty acid β-oxidation. Surprisingly, the role of ACC in human vascular endothelial cells has been neglected so far. This work aimed to investigate the role of the ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions like proliferation, migration and tube formation.
To investigate the function of ACC, the ACC-inhibitor soraphen A as well as an siRNA-based approach were used. This study revealed that ACC1 is the predominant isoform both in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and in human dermal microvascular endothelial cells (HMECs). Inhibition of ACC via soraphen A resulted in decreased levels of malonyl-CoA and shifted the lipid composition of endothelial cell membranes. Consequently, membrane fluidity, filopodia formation and the migratory capacity were attenuated. Increasing amounts of longer acyl chains within the phospholipid subgroup phosphatidylcholine (PC) were suggested to overcompensate the shift towards shorter acyl chains within phosphatidylglycerol (PG), which resulted in a dominating effect on regulating the membrane fluidity. Most importantly, this work provided a link between changes in the phospholipid composition and altered endothelial cell migration. The antimigratory effect of soraphen A was linked to a reduced amount of PG and to an increased amount of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) within the phospholipid cell membrane. This link was unknown in the literature so far. Interestingly, a reduced filopodia formation was observed upon ACC inhibition via soraphen A, which presumably caused the impaired migratory capacity.
This work revealed a relationship between ACC/fatty acid metabolism, membrane lipid composition and endothelial cell migration. The natural compound soraphen A emerged as a valuable chemical tool to analyze the role of ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions. Furthermore, regulating endothelial cell migration via ACC inhibition promises beneficial therapeutic perspectives for the treatment of cell migration-related disorders, such as ischemia reperfusion injury, diabetic angiopathy, macular degeneration, rheumatoid arthritis, wound healing defects and cancer.
One of the key functions of blood vessels is to transport nutrients and oxygen to distant tissues and organs in the body. When blood supply is insufficient, new vessels form to meet the metabolic tissue demands and to re-establish cellular homeostasis. Expansion of the vascular network through sprouting angiogenesis requires the specification of ECs into leading (sprouting) tip and following (non-sprouting) stalk cells. Attracted by guidance cues tip cells dynamically extend and retract filopodia to navigate the nascent vessel sprout, whereas trailing stalk cells proliferate to form the extending vascular tube. All of these processes are under the control of environmental signals (e.g. hypoxia, metabolism) and numerous cytokines and peptide growth factors. The Dll4/Notch pathway coordinates several critical steps of angiogenic blood vessel growth. Even subtle alterations in Notch activity can profoundly influence endothelial cell behavior and blood vessel formation, yet little is known about the intrinsic regulation and dynamics of Notch signaling in endothelial cells. In addition, it remains an open question, how different growth factor signals impinging on sprouting ECs are coordinated with local environmental cues originating from nutrient-deprived, hypoxic tissue to achieve a balanced endothelial cell response. Acetylation of lysines is a critical posttranslational modification of histones, which acts as an important regulatory mechanism to control chromatin structure and gene transcription. In addition to histones, several non-histone proteins are targeted for acetylation reversible acetylation is emerging as a fundamental regulatory mechanism to control protein function, interaction and stability. Previous studies from our group identified the NAD+-dependent deacetylase SIRT1 as a key regulator of blood vessel growth controlling endothelial angiogenic responses. These studies revealed that SIRT1 is highly expressed in the vascular endothelium during blood vessel development, where it controls the angiogenic activity of endothelial cells. Moreover, in this work SIRT1 has been shown to control the activity of key regulators of cardiovascular homeostasis such as eNOS, Foxo1 and p53. The present study describes that SIRT1 antagonizes Notch signaling by deacetylating the Notch intracellular domain (NICD). We showed that loss of SIRT1 enhances DLL4-induced endothelial Notch responses as assessed by different luciferase responsive elements as well as transcriptional analysis of Notch endogenous target genes activation. Conversely, SIRT1 gain of function by overexpression of pharmacological activation decreases induction of Notch targets in response to DLL4 stimulation. We also showed that the NICD can be directly acetylated by PC AF and p300 and that SIRT1 promotes deacetylation of NICD. We have identified 14 lysines that are targeted for acetylation and their mutation abolishes the effects of SIRT1 of Notch responses. Furthermore, over-expression or activation of SIRT1 significantly reduces the levels of NICD protein. Moreover, SIRT1-mediated NICD degradation can be reversed by blockade of the proteasome suggesting a mechanism resulting from ubiquitin-mediated proteolysis. Indeed, we have shown that SIRT1 knockdown or pharmacological inhibition decreased NICD ubiquitination. We propose a novel molecular mechanism of modulation of the amplitude and duration of Notch responses in which acetylation increases NICD stability and therefore permanence at the promoters, while SIRT1, by inducing NICD degradation through its deacetylation, shortens Notch responses. In order to evaluate the physiological relevance of our findings we used different models in which the Notch functions during blood vessel formation have been extensively characterized. First, retinal angiogenesis in mice lacking SIRT1 activity shows decreased branching and reduced endothelial proliferation, similar to what happens after Notch gain of function mutations. ECs from these mice exhibit increased expression of Notch target genes. Second, these results were reproducible during intersomitic vessel growth in sirt1-deficient zebrafish. In both models, the defects could be partially rescued by inhibition of Notch activation. Third, we used an in vitro model of vessel sprouting from differentiating embryonic bodies in response to VEGF in a collagen matrix. Our results showed that Sirt1-deficient cells shows impaired sprouting which correlated with increased NICD levels. In addition, when in competition with wild-type cells in this assay, Sirt1-deficient cells are more prone to occupy the stalk cell position. Taken together, our study identifies reversible acetylation of NICD as a novel molecular mechanism to adapt the dynamics of Notch signaling and suggest that SIRT1 acts as a rheostat to fine-tune endothelial Notch responses. The NAD+-dependent feature of SIRT1 activity possibly links endothelial Notch responses to environmental cues and metabolic changes during nutrient deprivation in ischemic environments or upon other cellular stresses.
Über zwei Drittel aller Menschen erleben in ihrem Leben mindestens ein traumatisches Ereignis (Kessler et al., 2017). Gerade nach interpersonellen Traumatisierungen ist die Rate der Betroffenen, welche eine posttraumatische Belastungsstörung (PTBS) entwickeln, sehr hoch (z. B. ca. 50% nach sexuellem Missbrauch; Hauffa et al., 2011). In der Vergangenheit wurden Angst- und Ohnmachtsgefühle als zentrale der PTBS zu Grunde liegende Emotionen aufgefasst (Foa & Kozak, 1986). Neuere Forschungsbefunde legen jedoch nahe, dass traumabezogene Schuld- und Schamgefühle auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Aufrechterhaltung der PTBS spielen (z. B. Badour et al., 2017). Dabei leiden besonders Betroffene von interpersonellen Gewalterfahrungen unter diesen Gefühlen (z. B. Badour et al., 2017).
Im Hinblick auf die psychotherapeutische Behandlung der PTBS haben sich traumafokussierte Verfahren als wirksam erwiesen (z. B. Lewis et al., 2020). Hohe Drop-out (z. B. Swift & Greenberg, 2014) und Nonresponse Raten (Fonzo et al., 2020) geben jedoch Hinweise darauf, dass nicht allen PTBS Patient*innen mit diesen Verfahren ausreichend geholfen werden kann, wobei insbesondere Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen weniger gut davon zu profitieren scheinen (z. B. Karatzias et al., 2019). Zudem hat sich gezeigt, dass Schuldgefühle auch nach einer erfolgreichen PTBS Behandlung weiter persistieren (Larsen et al., 2019). Demnach besteht ein Bedarf an alternativen Therapieverfahren für Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen und/oder Schuld- und Schamgefühlen.
Besonders vielversprechend sind hierbei achtsamkeitsbasierte Interventionen, die bereits in der PTBS Behandlung eine zunehmend bedeutsame Rolle spielen (Hopwood & Schutte, 2017). Eine wichtige Voraussetzung für die weitere Erforschung dieser Interventionen sind valide und reliable Verfahren zur Veränderungsmessung von Achtsamkeit (Isbel et al., 2020). So scheinen bisherige Studien jedoch hauptsächlich fragebogenbasierte Maße zur Erfassung von Veränderungen in Trait-Achtsamkeit eingesetzt zu haben, obwohl diese Interventionen eher auf die Steigerung von State-Achtsamkeit abzielen (Goodman et al., 2017). Darüber hinaus kristallisierten sich methodische Kritikpunkte in Bezug auf die Validität von Fragebögen zur Erfassung von Trait-Achtsamkeit heraus (van Dam et al., 2018). Demgegenüber erfassen Experience-Sampling Ansätze (z. B. Mindful-Breathing Exercise, MBE; Burg & Michalak, 2011) eher Aspekte der State-Achtsamkeit, sind jedoch in klinischen Untersuchungsstichproben bisher kaum untersucht worden. Darauf aufbauend fokussierte die erste Forschungsfrage der Dissertation die Untersuchung der MBE im klinischen Kontext. Ein Hauptbefund der Studie zeigte, dass die MBE bei PTBS Patient*innen hinsichtlich ihres Prädiktionswertes für die PTBS Symptome Übererregung und Intrusionen gegenüber fragebogenbasierter Trait-Achtsamkeit überlegen war. Mögliche Wirkmechanismen achtsamkeitsbasierter Interventionen könnten demnach durch den Einsatz der MBE besonders gut abgebildet werden.
Innerhalb der achtsamkeitsbasierten Interventionen kommt in der Behandlung der PTBS am häufigsten die Mindfulness Based Stress Reduction (MBSR; Kabat-Zinn, 2013) als standardisierte Gruppenintervention zum Einsatz (Boyd et al., 2018). Jedoch scheint die MBSR insbesondere für PTBS Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen nicht eins-zu-eins anwendbar zu sein (Müller-Engelmann et al., 2017). Buddhistische Metta-Meditationen (dt.: Liebende Güte; Salzberg, 2002) sind vor diesem Hintergrund eine vielversprechende Ergänzung zu achtsamkeitsbasierten Interventionen. Metta-Meditationen zielen darauf ab, sich selbst sowie allen anderen Lebewesen bedingungsloses Wohlwollen und Freundlichkeit entgegen zu bringen (Bodhi, 2010). Metta-Meditationen sind noch weniger gut in der klinischen Forschung etabliert. Erste Befunde deuten jedoch darauf hin, dass sie bei PTBS Patient*innen zu einer Reduktion der PTBS Symptomatik führen können (z. B. Kearney et al., 2021). Folglich wurde im Rahmen der zweiten Forschungsfrage eine neue Intervention entwickelt und evaluiert, welche sich an den Bedürfnissen von PTBS Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen orientiert. Sie kombiniert kürzere, PTBS spezifische Achtsamkeitsübungen mit angepassten Übungen aus MBSR sowie Metta-Meditationen (= Trauma-MILOKI). Trauma-MILOKI zeigte sich in einer multiplen Baseline Studie wirksam zur Reduktion der PTBS Symptome sowie zur Steigerung des Wohlbefindens.
Ein Wirkmechanismus von Metta-Meditationen ist die Förderung positiver Emotionen sowie des Gefühls sozialer Verbundenheit (Salzberg, 2002), weswegen sie auch besonders gut geeignet scheinen, traumabezogene Schuld- und Schamgefühle zu reduzieren. Darüber hinaus haben sich unter den etablierten Therapieverfahren v. a. kognitive Ansätze zur Reduktion von Schuldgefühlen als wirksam erwiesen (Resick et al., 2008)...
Echolocation allows bats to orientate in darkness without using visual information. Bats emit spatially directed high frequency calls and infer spatial information from echoes coming from call reflections in objects (Simmons 2012; Moss and Surlykke 2001, 2010). The echoes provide momentary snapshots, which have to be integrated to create an acoustic image of the surroundings. The spatial resolution of the computed image increases with the quantity of received echoes. Thus, a high call rate is required for a detailed representation of the surroundings.
One important parameter that the bats extract from the echoes is an object’s distance. The distance is inferred from the echo delay, which represents the duration between call emission and echo arrival (Kössl et al. 2014). The echo delay decreases with decreasing distance and delay-tuned neurons have been characterized in the ascending auditory pathway, which runs from the inferior colliculus (Wenstrup et al. 2012; Macías et al. 2016; Wenstrup and Portfors 2011; Dear and Suga 1995) to the auditory cortex (Hagemann et al. 2010; Suga and O'Neill 1979; O'Neill and Suga 1982).
Electrophysiological studies usually characterize neuronal processing by using artificial and simplified versions of the echolocation signals as stimuli (Hagemann et al. 2010; Hagemann et al. 2011; Hechavarría and Kössl 2014; Hechavarría et al. 2013). The high controllability of artificial stimuli simplifies the inference of the neuronal mechanisms underlying distance processing. But, it remains largely unexplored how the neurons process delay information from echolocation sequences. The main purpose of the thesis is to investigate how natural echolocation sequences are processed in the brain of the bat Carollia perspicillata. Bats actively control the sensory information that it gathers during echolocation. This allows experimenters to easily identify and record the acoustic stimuli that are behaviorally relevant for orientation. For recording echolocation sequences, a bat was placed in the mass of a swinging pendulum (Kobler et al. 1985; Beetz et al. 2016b). During the swing the bat emitted echolocation calls that were reflected in surrounding objects. An ultrasound sensitive microphone traveling with the bat and positioned above the bat’s head recorded the echolocation sequence. The echolocation sequence carried delay information of an approach flight and was used as stimulus for neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus of the bats.
Presentation of high stimulus rates to other species, such as rats, guinea pigs, suppresses cortical neuron activity (Wehr and Zador 2005; Creutzfeldt et al. 1980). Therefore, I tested if neurons of bats are suppressed when they are stimulated with high acoustic rates represented in echolocation sequences (sequence situation). Additionally, the bats were stimulated with randomized call echo elements of the sequence and an interstimulus time interval of 400 ms (element situation). To quantify neuronal suppression induced by the sequence, I compared the response pattern to the sequence situation with the concatenated response patterns to the element situation. Surprisingly, although the bats should be adapted for processing high acoustic rates, their cortical neurons are vastly suppressed in the sequence situation (Beetz et al. 2016b). However, instead of being completely suppressed during the sequence situation, the neurons partially recover from suppression at a unit specific call echo element. Multi-electrode recordings from the cortex allow assessment of the representation of echo delays along the cortical surface. At the cortical level, delay-tuned neurons are topographically organized. Cortical suppression improves sharpness of neuronal tuning and decreases the blurriness of the topographic map. With neuronal recordings from the inferior colliculus, I tested whether the echolocation sequence also induced neuronal suppression at subcortical level. The sequence induced suppression was weaker in the inferior colliculus than in the cortex. The collicular response makes the neurons able to track the acoustic events in the echolocation sequence. Collicular suppression mainly improves the signal-to-noise ratio. In conclusion, the results demonstrate that cortical suppression is not necessarily a shortcoming for temporal processing of rapidly occurring stimuli as it has previously been interpreted.
Natural environments are usually composed of multiple objects. Thus, each echolocation call reflects off multiple objects resulting in multiple echoes following the calls. At present, it is largely unexplored how neurons process echolocation sequences containing echo information from more than one object (multi-object sequences). Therefore, I stimulated bats with a multi-object sequence which contained echo information from three objects. The objects were different distances away from each other. I tested the influence of each object on the neuronal tuning by stimulating the bats with different sequences created from filtering object specific echoes from the multi-object sequence. The cortex most reliably processes echo information from the nearest object whereas echo information from distant objects is not processed due to neuronal suppression. Collicular neurons process less selectively echo information from certain objects and respond to each echo.
For proper echolocation, bats have to distinguish between own biosonar signals and the signals coming from conspecifics. This can be quite challenging when many bats echolocate adjacent to each other. In behavioral experiments, the echolocation performance of C. perspicillata was tested in the presence of potentially interfering sounds. In the presence of acoustic noise, the bats increase the sensory acquisition rate which may increase the update rate of sensory processing. Neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus could strengthen the hypothesis. Although there were signs of acoustic interference or jamming at neuronal level, the neurons were not completely suppressed and responded to the rest of the echolocation sequence.
Aufbau: Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI)- Bildgebung ist eine auf der konventionellen Ultraschall- Bildgebung basierende Elastographie- Methode, die die quantitative Messung der Festigkeit und Elastizität von Gewebe ermöglicht. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, ARFI- Bildgebung für die Differenzierung von Schilddrüsenknoten zu evaluieren und mit der bereits gut erprobten qualitativen Messmethode der Real-Time Elastographie (RTE) zu vergleichen.
Material und Methoden: ARFI- Bildgebung basiert auf der Aussendung von akustischen Impulsen in Gewebe, wodurch lokale Gewebeverschiebungen hervorgerufen werden. Die dabei entstehenden Transversalwellen wiederum werden über auf Korrelation basierende Methoden mittels Ultraschallwellen detektiert und in m/s angegeben. Einschlusskriterien der Studie waren: Knoten ≥ 5 mm sowie eine zytologische/histologische Aufarbeitung. Alle Patienten erhielten eine konventionelle Ultraschall- Untersuchung, eine Real-Time Elastographie sowie eine ARFI- Bildgebung.
Ergebnisse: Es standen 158 Knoten aus 138 Patienten zur Analyse zur Verfügung. 137 Knoten erbrachten bei der zytologischen/histologischen Aufarbeitung ein benignes Ergebnis, 21 Knoten hingegen wurden als maligne eingestuft. Die mittlere Geschwindigkeit der Messungen der ARFI- Bildgebung in gesundem Schilddrüsengewebe betrug 1,76 m/s, in benignen Knoten 1,90 m/s und in malignen Knoten 2,69 m/s. Es konnte kein signifikanter Unterschied der mittleren Geschwindigkeit zwischen gesundem Schilddrüsengewebe und benignen Knoten ermitteltet werden, wohingegen ein signifikanter Unterschied zwischen malignen Knoten und gesundem Schilddrüsengewebe (p= 0,0019) einerseits und benignen Schilddrüsenknoten (p=0,0039) andererseits bestand. Für die diagnostische Genauigkeit bei der Diagnose von malignen Schilddrüsenknoten konnte kein signifikanter Unterschied zwischen RTE und ARFI- Bildgebung festgestellt werden (0,74 vs. 0,69, p=0,54). Die Kombination von RTE und ARFI- Bildgebung erhöhte die Spezifität bei der Diagnose von malignen Schilddrüsenknoten von 72% (nur RTE) auf 92% (kombiniert).
Schlussfolgerungen: ARFI- Bildgebung kann als zusätzliche Methode bei der diagnostischen Aufarbeitung von Schilddrüsenknoten genutzt werden und liefert dabei einen hohen negativen prädiktiven Wert sowie vergleichbare Ergebnisse wie die RTE.
This thesis investigates the acquisition pace and the typical developmental path in eL2 acquisition of selected phenomena of German morphosyntax and semantics and compared them to monolingual acquisition. In addition, the influence of ‘Age of Onset’ and of external factors on eL2 acquisition is examined.
To date, the most studies on eL2 acquisition focused on language production. Based on mostly longitudinal spontaneous speech data of only small number of children, they indicate that eL2 learners acquire sentence structure and subject-verb-agreement faster than monolingual children, whereas the acquisition of case marking causes them more difficulties. Moreover, similar developmental paths to those of monolingual children are claimed. Only several studies examined comprehension abilities in eL2 learners, however overwhelmingly in cross-sectional design. The findings from comprehension studies on telic and atelic verbs, and on wh-questions indicate that eL2 children acquire their target-like interpretation faster than monolingual children. The same acquisition stages towards target-like interpretation like in monolingual acquisition are assumed as well. Taking together, to date, no study exists, that examines comprehension and production abilities in a large group of eL2 learners of German in a longitudinal design.
This thesis extends the previous results by investigating pace of acquisition, impact of factors, and individual developmental paths in a longitudinal design with large groups of participants. Language data of 29 eL2 learners of German (age at T1: 3;7 years, LoE: 10 months) and 45 monolingual German-speaking children (age at T1: 3;7) are examined. The eL2 learners were tested in six test rounds (age at T6: 6;9 years). The monolingual children were tested in five test rounds (are at T5: 5;7). The standardized test LiSe-DaZ (Schulz & Tracy, 2011) was employed to examine children’s language skills.
eL2 learners show a significantly greater rate of change, thus faster acquisition pace, than monolingual children in the following scales: comprehension of telicity, comprehension of wh-questions, production of prepositions, and production of conjunctions. These phenomena are acquired early in monolingual children. No differences regarding acquisition pace between eL2 children and monolingual children are found for comprehension of negation, production of case marking, and production of focus particles. These phenomena are acquired late in monolingual development and involve semantic and pragmatic knowledge. The findings of faster acquisition pace of several phenomena are in line with several studies that reported that eL2 children develop faster than monolingual children.
Independent on whether a phenomenon is acquired early or late, no effects of external factors on eL2 children’s performance are found. These findings indicate that acquisition of core, rule-based phenomena is not sensitive to external factors if the first exposure to L2 takes place around the age of three.
Moreover, eL2 children show the same developmental stages and error types in comprehension of telicity, comprehension of negation, production of matrix and subordinate clauses. This is also independent on how fast they acquire a structure under consideration. Thus, these findings provide a further support for similar developmental paths of eL2 and monolingual children towards target-like comprehension and production.
The composition of cellular membranes is extremely complex and the mechanisms underlying their homeostasis are poorly understood. Organelles within a eukaryotic cell require a non-random distribution of membrane lipids and a tight regulation of the membrane lipid composition is a prerequisite for the maintenance of specific organellar functions. Physical membrane properties such as bilayer thickness, lipid packing density and surface charge are governed by the lipid composition and change gradually from the early to the late secretory pathway. As the endoplasmic reticulum (ER) is situated at the beginning of the cells secretory pathway, it has to accept and accommodate a great variety and quantity of secretory and transmembrane proteins, which enter the ER on their way to their final cellular destination. Secretory proteins can be translocated into the lumen of the ER co- or posttanslationally and membrane proteins are being inserted and released into the ER membrane. In the oxidative milieu of the ER-lumen, supported by a variety of chaperones, proteins can fold into their native form.
If the folding capacity of the ER-lumen is exceeded, an accumulation of mis- or unfolded proteins in the lumen of the ER occurs, consequently triggering the unfolded protein response (UPR). This highly conserved program activates a wide-spread transcriptional response to restore protein folding homeostasis. In fact, 7 – 8% of all genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) are regulated by the UPR. The mechanism underlying the activation of the UPR by protein folding stress has been investigated thoroughly in the last decades and many of its mechanistic details have been elucidated. Recently, it became evident that aberrant lipid compositions of the ER membrane, collectively referred to as lipid bilayer stress, are equally potent in activating the UPR. The underlying molecular mechanism of this membrane-activated UPR, however, remained unclear.
This study focuses on the UPR in S. cerevisiae and characterizes the inositol requiring enzyme 1 (Ire1) as the sole UPR sensor in S. cerevisiae. Active Ire1 forms oligomers and, collaboratively with the tRNA ligase Rlg1, splices immature mRNA of the transcription factor HAC1, which results in the synthesis of mature HAC1 mRNA and the production of the active Hac1 protein, which binds to UPR-elements in the nucleus and activates the expression of UPR target genes. Here, the combination of in vivo and in vitro experiments is being used, which is supplemented by molecular dynamics (MD) simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer (MPI for Biophysics, Frankfurt), aiming to identify the molecular mechanism of Ire1 activation by lipid bilayer stress. This study focuses on the analysis of the juxta- and transmembrane region of Ire1. Bioinformatic analyses revealed a putative ER-lumenal amphipathic helix (AH) N-terminally of and partially overlapping with the transmembrane helix (TMH). This predicted AH contains a large hydrophobic face, which inserts into the ER membrane, forcing the TMH into a tilted orientation within the membrane. The resulting unusual architecture of Ire1’s AH and TMH constitutes a unique structural element required for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
To investigate the function of the AH in the physiological context, different variants of Ire1 were produced under the control of their endogenous promoter and from their endogenous locus. The functional role of the AH was tested, by disrupting its amphipathic character by the introduction of charged residues into the hydrophobic face of the AH. The role of a conserved negative residue between the TMH and the AH (E540 in S. cerevisiae) was tested by substituting it by a unipolar, polar, or positively charged residue. These variants were intensively characterized using a series of assays:
This thesis provides evidence that the AH is crucial for the function of Ire1: Mutant variants with a disrupted (F531R, V535R) or otherwise modified AH (E540A) exhibited a lower degree of oligomerization and failed to catalyze the splicing of the HAC1 mRNA as the Wildtype control. Likewise, the induction of PDI1, a target gene of the UPR, was greatly reduced in mutants with a disrupted or defective AH. These data revealed an important functional role of the AH for normal Ire1 function.
An in vitro system was established to analyze the membrane-mediated oligomerization of Ire1. This system enabled the isolated functional analysis of the AH and TMH during Ire1 activation by lipid bilayer stress. A fusion construct, coding for the maltose binding protein (MBP) from Escherichia coli (E. coli), N-terminally to the AH and TMH of Ire1 was produced. The heterologous production in E. coli, the purification and reconstitution of this minimal sensor of Ire1 in liposomes was established as part of this study. To analyze the oligomeric status of the minimal sensor in different lipid environments, continuous wave electron paramagnetic resonance (cwEPR) spectroscopic experiments were performed. These experiments revealed that the molecular packing density of the lipids had a significant influence of the oligomerization of the spin-labeled membrane sensor: increasing packing densities resulted in sensor oligomerization. The AH-disruptive F531R mutant, in which the amphipathic character of the AH was destroyed, showed no membrane-sensitive changes in its oligomerization status.
Thus, the activation of Ire1 by lipid bilayer stress is achieved by a membrane-based mechanism. According to the current model, the AH induces a local membrane compression by inserting its large hydrophobic face into the membrane. As membrane thickness and acyl chain order are interconnected, this compression simultaneously results in an increased local disordering of lipid acyl chains. Supporting MD simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer revealed that the bilayer compression is significantly more pronounced in a densely packed lipid environment, than in a lipid environment of lower lipid packing density. Hence, the energetic cost of the local compression increases with the packing density of the membrane, but is compensated for by the oligomerization of Ire1. This minimization of energetic cost induced by the membrane deformation of Ire1 forms the basis for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
Efficient algorithms for object recognition are crucial for the newly robotics and computer vision applications that demand real-time and on-line methods. Some examples are autonomous systems, navigating robots, autonomous driving. In this work, we focus on efficient semantic segmentation, which is the problem of labeling each pixel of an image with a semantic class.
Our aim is to speed-up all of the parts of the semantic segmentation pipeline. We also aim at delivering a labeling solution on a time budget, that can be decided on-the-fly. For this purpose, we analyze all the components of the semantic segmentation pipeline, and identify the computational bottleneck of each of them. The different components of the pipeline are over-segmenting the image with local regions, extracting features and classify the local regions, and the final inference of the image labeling with semantic classes. We focus on each of these steps.
First, we introduce a new superpixel algorithm to over-segment the image. Our superpixel method runs in real-time and can deliver a solution at any time budget. Then, for feature extraction, we focus on the framework that computes descriptors and encodes them, followed by a pooling step. We see that the encoding step is the bottleneck, for computational efficiency and performance. We present a novel assignment-based encoding formulation, that allows for the design of a new, very efficient, encoding. Finally, the image labeling output is obtained modeling the dependencies with a Conditional Random Field (CRF). In semantic image segmentation, the computational cost of instantiating the potentials is much higher than MAP inference. We introduce Active MAP inference to on-the-fly select a subset of potentials to be instantiated in the energy function, leaving the rest as unknown, and to estimate the MAP labeling from such incomplete energy function.
We perform experiments on all proposed methods for the different parts of the semantic segmentation pipeline. We show that our superpixel extraction achieves higher accuracy than state-of-the-art on standard superpixel benchmark, while it runs in real-time. We test our feature encoding on standard image classification and segmentation benchmarks, and we show that our method achieves competitive results with the state-of-the-art, and requires less time and memory. Finally, results for semantic segmentation benchmark show that Active MAP inference achieves similar levels of accuracy but with major efficiency gains.
Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen von nicht letalen Dosen von Neonikotinoiden auf Bienen. Neonikotinoide stellen eine Klasse von Insektiziden dar, die auf den nikotinischen Acetylcholin Rezeptor wirken. In dieser Dissertation wurden die Neonikotinoide Imidacloprid, Clothianidin und Thiacloprid benutzt. Die beiden erst genannten unterliegen zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit einem temporären Verkaufs- und Ausbringungs-Stopp. Damit sind die Ergebnisse dieser Arbeit wichtig für die Bewertung der Gefahren von Neonikotinoiden. Neonikotinoide werden im großen Maße in der Landwirtschaft als Spritzmittel und Saatgutbeize eingesetzt. Dabei können sie in Rückständen von Bienen beim Sammeln von Nektar und Pollen aufgenommen und zum Stock gebracht werden. Um einen weiten Blick auf die Auswirkungen der Stoffe zu werfen wurden deshalb Experimente an einzelnen Sammlerinnen durchgeführt, ebenso wie an Bienenvölkern, bei denen die Substanzen verfüttert wurden. Als neuronal aktive Substanzen können sie die normale Funktion des Nervensystems von Bienen beeinflussen, was Veränderungen im Verhalten hervorrufen kann. Dies zeigt sich in Veränderungen in der Bewegung, Orientierung oder auch Interaktion mit anderen Bienen. Die Wirkung am Rezeptor variiert, trotz gleichen molekularen Ziels, stark zwischen den verwendeten Neonikotinoiden. Clothianidin wurde als Agonist beschrieben, der sogar stärkere Ströme als Acetylcholin bei gleicher Konzentration hervorrufen kann. Imidacloprid dagegen wurde bereits als partieller Agonist beschrieben, der geringere Ströme über den Rezeptor auslöst. In dieser Arbeit wurde ein erster Versuch durchgeführt um Thiacloprid ebenfalls als Agonist am nikotinischen Acetylcholin Rezeptor der Biene zu beschreiben. Hierbei wurde an einer Zelle in Kultur ein geringerer Strom ausgelöst.
Bienenvölker wurden unter kontrollierten Bedingungen gehalten, bei denen je eins der Neonikotinoide Clothianidin, Imidacloprid oder Thiacloprid in das Futter gemischt wurden. Hierfür wurden Dosen gewählt, bei denen davon ausgegangen werden konnte, dass keine akute Beeinflussung der Sammlerinnen bestand. Es konnte festgestellt werden, dass chronisches Füttern mit einer Zuckerlösung mit 8,876 mg/kg Thiacloprid zu einer verringerten Sammelleistung führte. Ebenso wurde die Entwicklung der Eier stark eingeschränkt, wobei die Königin weiterhin Eier legte. Es konnten nur vereinzelte verdeckelte Brutzellen, die ein spätes Entwicklungsstadium der Bienen darstellen, gefunden werden. Damit konnte gezeigt werden, dass geringe Dosen die Larval-Entwicklung von Bienen beeinflussen, eventuell durch Einflüsse auf die Kommunikation zwischen Ammenbienen und der Brut.
Um Auswirkungen auf einzelne Tiere zu zeigen, wurden unterschiedliche Parameter im Heimflug von Bienen nach Fütterung mit je einem der Neonikotinoide analysiert. Bienen mussten sich nach der Fütterung orientieren und von einer neuen Position den Heimweg zum Stock finden. Der Heimflug wurde per Radar verfolgt und so ein Flugprofil erstellt, das aus zwei Flugphasen bestand. Diese wurden durch die Navigation nach Vektorintegration und durch Landmarken unterteilt. Aus dem Flugprofil konnte abgelesen werden, wie lange die Bienen für die Phasen des Flugs benötigten, in welchem Hauptflugwinkel sie die erste Flugphase absolvierten, in welche Richtung sie am Ende der ersten Flugphase flogen und wie gerichtet der Flug war. Auch wurde erfasst, ob die Bienen überhaupt in der Lage waren zum Stock zurückzukehren. Hier zeigte sich, dass die Fütterung mit Zuckerwasser mit 0,6 µM und 0,9 µM Imidacloprid, ebenso wie mit 0,1 mM Thiacloprid zu einer verringerten Heimkehrwahrscheinlichkeit führte. In der ersten Flugphase konnte auch gezeigt werden, dass 0,2 µM Clothianidin im Zuckerwasser zu einem schnelleren Flug führte und dass der Flugwinkel im Vergleich zur Kontrolle in Richtung der wahren Position des Stocks verschoben war. Beide Imidacloprid-Gruppen zeigten eine ähnliche, signifikante Verschiebung des Flugwinkels, ebenso konnte im Flug selbst eine häufige Änderung der Richtung festgestellt werden. In der zweiten Flugphase zeigte sich, dass Bienen, welche mit Thiacloprid behandelt wurden häufiger eine inkorrekte Heimflugrichtung wählten, was in längeren Heimflügen resultierte. Die mit Clothianidin behandelten Bienen legten eine längere Flugstrecke zurück. Bienen, welche Imidacloprid beider Konzentrationen konsumierten, zeigten einen häufigen Wechsel ihrer Flugrichtung. Damit konnten bei allen drei gewählten Neonikotinoiden Einflüsse auf spezifische Komponenten der Navigation von Bienen gefunden und Einschränkungen im Heimkehr- und Orientierungsverhalten einzelner Sammlerinnen gezeigt werden. Somit konnten die eingehenden Fragen zumindest teilweise beantwortet werden und die Datenlage zur Frage der Schädlichkeit der, auch politisch umstrittenen, Substanzen erweitert werden.
Als zellulärer Sensor für Gallensäuren und als Regulator zahlreicher metabolischer und inflamma-torischer Gene stellt der nukleäre Farnesoid X Rezeptor (FXR) ein vielversprechendes neues Wirkstofftarget dar. Die Aktivierung von FXR mit natürlichen oder synthetischen Liganden führte in vitro und in vivo zu zahlreichen wünschenswerten Effekten wie gesteigerter Insulinfreisetzung, verringerter Insulinresistenz oder verbessertem Lipidprofil. Daneben stellt die Aktivierung von FXR ein Prinzip zur Behandlung von Lebererkrankungen wie nicht-alkoholischer Fettleber und primärer billiärer Zirrhose dar, das mit dem FXR-Agonisten Obeticholsäure bereits in klinischen Studien überprüft wird. Existierende synthetische FXR-Liganden sind Fettsäure- bzw. Gallensäuremimetika und imitieren die physiologischen FXR-Agonisten. Die meisten synthetischen FXR-Liganden sind jedoch aufgrund von Toxizität, geringer Selektivität oder schlechter Bioverfügbarkeit nicht zur wie-teren klinischen Entwicklung geeignet. Sie stellen außerdem vornehmlich vollagonistische FXR-Ligan-den dar, doch die klinischen Erfahrungen mit Liganden anderer nukleärer Rezeptoren wie den Peroxi-somen Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPAR) oder den Estrogenrezeptoren (ER) haben gezeigt, dass eine zu starke Aktivierung eines Ligand-aktivierten Transkriptionsfaktors Risiken erheblicher Nebenwirkungen bergen kann. Eine Möglichkeit, dieser Gefahr vorzubeugen, bietet die Entwicklung partialagonistischer FXR-Liganden, die den Rezeptor nur mit moderater Amplitude aktivieren.
In dieser Arbeit wurde ausgehend von der in einem virtuellen Screening identifizierten Leitstruktur 1, durch medizinisch chemische Optimierung und Studien zu den Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) ein potenter und selektiver FXR-Partialagonist entwickelt. Die drei Molekülteile der Leitstruktur 1 (azide Kopfgruppe, zentraler Anthranilamidkörper und Acylsubstituent) wurden einzeln hinsichtlich ihrer Potenz an FXR untersucht und optimiert. In der Untersuchung der SAR des Acylsubstituenten zeigten sich ein 2-Naphthoyl- und ein 4-tert-Butylbenzoylsubstituent der in 1 enthaltenen 4-Methylbenzoylgruppe überlegen. Unter Beibehaltung des 2-Naphthoylsubstituenten wurde hierauf durch selektive Methylierung bzw. Reduktion die Notwendigkeit beider Amidbindungen der Subs-tanzklasse für Aktivität an FXR nachgewiesen. Durch Erweiterung der aziden Kopfgruppe um einen zusätzlichen aromatischen Ring gelang eine weitere Potenzsteigerung, die sich durch eine Methyl-gruppe an 6-Position dieses neu eingeführten Ringes noch erhöhen ließe. Andere Substituenten am aromatischen Ring der Kopfgruppe führten dagegen an keiner Position zu einer Aktivitätsverbes-serung. Der Austausch der freien Carbonsäure durch metabolisch stabilere Bioisostere wie ein Methylketon oder ein Nitril stellte sich als ohne Aktivitätsverlust möglich heraus, wobei das Tetrazol als klassisches Carbonsäurebioisoster eine Ausnahme mit geringerer Potenz bildete. Die entscheiden-de Steigerung der Aktivität der Acylanthranilamide an FXR resultierte aus der Einführung eines zusätzlichen Substituenten in 4-Position des zentralen aromatischen Ringes, wobei eine Methoxy-gruppe zur größten Potenz führte. Das resultierende Anthranilamid 2 stellt einen hochpotenten FXR-Partialagonisten mit einem EC50-Wert von 8±3 nM in einem flFXR-Reportergenassay bei 18±1% Maximalaktivierung dar und ist der Leitstruktur somit um mehr als einen Faktor 1000 überlegen.
Die optimierte Verbindung 2 wurde aufgrund ihrer großen Potenz ausführlich in vitro pharma-kologisch charakterisiert. Dabei stellte sich die Substanz als metabolisch sehr stabil, moderat löslich in Wasser und gemessen an ihrer hohen Aktivität an FXR als wenig toxisch heraus. Darüber hinaus er-wies sich 2 als selektiv für FXR über den membranständigen G-Protein-gekoppelten Gallen-säurerezeptor TGR5 (Faktor >1000) sowie über die nukleären Rezeptoren PPARα (>1000), PPARγ (~375) und PPARδ (>1000). Bei der Quantifizierung seiner Effekte auf die FXR-Targetgene SHP, CYP7A1, BSEP, OSTα und IBABP durch qRT-PCR übte 2 im Bereich 0,1 µM bis 10 µM einen konzen-trationsunabhängigen partialagonistischen Effekt von etwa 40% des Effektes des physiologischen FXR-Agonisten Chenodeoxycholsäure (CDCA) aus. Mit der Verbindung 2 wurde somit ein hochpotenter, selektiver und metabolisch stabiler FXR-Partialagonist entwickelt und charakterisiert, der sich für künftige in vitro und in vivo Studien zu partieller FXR-Aktivierung empfehlen kann.
Die Arbeit untersucht die Ad-hoc-Publizität unter der Geltung der MAR. In der Arbeit werden zuerst das Informationsmodell auf dem Kapitalmarkt und die Erforderlichkeit und Notwendigkeit der Regulierung des Kapitalmarkts durch gesetzliche Informationspflichten analysiert. Mithilfe eines Rückblicks auf die Entwicklung der Ad-hoc-Publizität in den Rechtsnormen wird ihr Sinn und Zweck untersucht. Die rechtlichen Anforderungen an Ad-hoc-Publizität unter der Geltung der MAR werden in einem weiteren Schritt untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Tatbestandsmerkmalen der Ad-hoc-Publizitätspflicht und dem Aufschub der Veröffentlichung. Darüber hinaus werden die Rechtsfolgen im Falle von Pflichtverstößen, insbesondere Anspruchsgrundlagen nach §§ 97, 98 WpHG analysiert. Im Hinblick auf die Ad-hoc-Publizität nach dem chinesischen Recht werden ihre historische Entwicklung in Rechtsnormen und ihr Sinn und Zweck untersucht. Eine dogmatische Analyse der Ad-hoc-Publizitätspflicht und der Rechtsfolgen beim Pflichtverstoß nach dem geltenden chinesischen Recht wird dann durchgeführt. Schließlich wird die Ad-hoc-Publizität nach der MAR und dem chinesischen Recht verglichen.
Im rechtsvergleichenden Teil der Untersuchung identifiziert der Verfasser bestimmte Besonderheiten und Defizite im chinesischen Recht. Den Regelungsansätzen der beiden Rechtssysteme liegen unterschiedliche rechtpolitische Zielsetzungen zugrunde. In der EU und in Deutschland steht der Konnex zum Insiderhandel im Vordergrund, denn diesem wird durch die Ad-Hoc Meldung der Boden entzogen. In China handelt es sich bei der Ad-hoc-Publizität konzeptionell eher um einen Annex zur Regelpublizität. Damit geht Hand in Hand, dass die Verfolgung zivilrechtlicher Ansprüche aufgrund falscher Ad-hoc-Meldungen in China der behördlichen Genehmigung bedarf. Der Verfasser macht auf dieser Grundlage Vorschläge zur (behutsamen) Rechtsfortbildung in China nach europäischem Vorbild.
The pictorial art of the Church, as a spiritual product of the Christian civilisation, has continually received great influences from its ecclesiastical tradition and it was defined by its formal aesthetical standards and its iconographic preferences. A more nuanced reading of the parallels can be attained by placing the images in their visual context, which would allow a better appreciation of the meanings within. The biblical story of Adam and Eve, which is the theme of the following thesis, reflects the differentiation between the Eastern and the Western understanding of the events of the history of the holy Oikonomia, a point, which is the major ground for the development of the relative pictorial motifs. The protoplasts are the protagonists from their creation and life in paradise, the fall and expulsion until their resurrection through Christ. Their story is visualised in a number of scenes and episodes, having thus their original sin and resurrection for specific reasons centralised. This doctoral thesis attempts to collect as many parallels of the scenes is possible, trying to collate the Eastern with the Western visual approach in a deductive way, in order to reach our constructive conclusions and make available the combination of the art, theology and liturgy in the scenes of Adam and Eve in Genesis and in Resurrection (Anastasis). The reading we tried to perform was based upon the specific iconographical elements, which were worth to be commented. Our aim was to detect the direct bond between the production of art and the relevant patristic and apocryphal writings or even the theological theories, by quoting texts from the ecclesiastical literature, as well as the liturgical praxis.
ADAM15, which belongs to the family of the disintegrin and metalloproteinases, is a multi-domain transmembrane protein. A strongly upregulated expression of ADAM15 is found in inflamed synovial membranes from articular joints affected by osteoarthritis and especially rheumatoid arthritis (RA). During the chronic inflammatory process in RA the synovial membrane gets hyperplastic, resulting eventually in the formation of a pannus tissue, which can invade into the adjacent cartilage and bone thereby destroying their integrity. Previously, the expression of ADAM15 in fibroblasts of the RA synovial membrane was found to confer a significant anti-apoptotic response upon triggering of the Fas receptor, which resulted in the activation of two survival kinases, focal adhesion kinase (FAK) and Src. The Fas receptor, also named CD95, belongs to the death receptor family of the tumor necrosis factor receptors and stimulation of Fas/CD95 by its ligand FasL results in the execution of apoptotic cell death in synovial membranes of RA patients. However, the occurrence of apoptotic cell death in vivo in RA synovial tissues is considerably low despite the presence of FasL at high concentrations in the chronically inflamed joint. Accordingly, a general apoptosis resistance is a characteristic of RA-synovial fibroblasts that contributes considerably to the formation the hyperplastic aggressive pannus tissue. The objective of this study was to investigate the mechanisms underlying the capability of ADAM15 to transform FasL-mediated death- inducing signals into pro-survival activation of Src and FAK in rheumatoid arthritis fibroblasts (RASFs).
In the present study, the down-regulation of ADAM15 by RNA interference resulted in a significant increase of caspase 3/7 activity upon stimulation of the Fas receptor in RASFs. Likewise, chondrocytes expressing a deletion mutant of ADAM15 (ΔC), lacking the cytoplasmic domain, revealed increased caspase activities upon Fas ligation in comparison to cells transfected with full-length ADAM15, clearly demonstrating the importance of the cytoplasmic domain for an increased apoptosis resistance. Furthermore, activation of the Fas receptor triggered the phosphorylation of Src at Y416, which results in the active conformation of Src, as well as the phosphorylation of FAK at Y576/577 and Y861 – the target tyrosines phosphorylated by Src - in full-length ADAM15-transfected chondrocytes. However, cells transfected with ADAM15 mutant (ΔC) or with vector control did not exhibit any activation of Src and FAK upon Fas ligation. This suggested the presence of an as yet unknown protein interaction mediating the Fas triggered activation of the two kinases.
In order to identify this mechanism, the application of signal transduction inhibitors interfering with Calcium signaling either by inhibiting calmodulin with trifluoperazine (TFP) or the Calcium release-activated channel (CRAC/Orai1) with BTP-2 efficiently inhibited the phosphorylation of FAK and Src, revealing a role of calmodulin, the major Ca2+ sensor in cells, in ADAM15-dependent and Fas-elicited activation of the two survival kinases. Also, a direct Ca2+ -dependent binding of calmodulin to ADAM15 could be demonstrated by pull-down assays using calmodulin-conjugated sepharose and by protein binding assays using the recombinant cytoplasmic domain of ADAM15 and calmodulin.
Furthermore, it could be demonstrated in living synovial fibroblasts by double immunofluorescence stainings that triggering the Fas receptor by its ligand FasL or a Fas-activating antibody resulted in the recruitment of calmodulin to ADAM15 as well as to the Fas receptor in patch-like structures at the cell membrane. Simultaneously, Src associated with calmodulin was shown to become engaged in an ADAM15 complex, also containing cytoplasmic-bound FAK, by co-immunoprecipitations.
Additional studies were performed to analyze the efficacy of TFP and BTP-2 on apoptosis induction in synovial fibroblasts from 10 RA patients. Using caspase 3/7 and annexin V stainings for determining apoptosis, it could be shown that both inhibitors did not possess any apoptosis inducing capacity. However, when co-incubated with FasL both compounds synergistically enhanced apoptosis rates in the RASFs. Moreover, an additional silencing of ADAM15 revealed a further significant rise in apoptosis rates upon incubation with FasL/TFP or FasL/BTP-2, providing unequivocal evidence for an involvement of ADAM15 in facilitating apoptosis resistance in RASFs.
Taken together, these results demonstrate that ADAM15 provides a scaffold for the formation of calmodulin-dependent pro-survival signaling complexes upon CRAC/Orai1 coactivation by Fas ligation, which provides a new potential therapeutic target to break the apoptosis resistance in RASFs that critically contributes to joint destruction in RA.
This thesis describes the adaptation of Acinetobacter species to dry environments with the soil bacterium A. baylyi and the opportunistic hospital pathogen A. baumanii in its focus. The adaptation of A. baylyi and A. baumannii to osmotic stress was investigated. Compatible solutes that were uptaken from the environment or synthesized de novo to cope with the loss of water at high salinity were identified. The corresponding transporters and enzymes involved were characzerized. In addition, the desiccation resistance of A. baumannii was analyzed to elucidate its survival in hospital environments. The usage of compatible solutes during desiccation stress was analyzed and proteins that were produced were identified.
The availability of water is essential for bacterial life and if environmental conditions are awkward, bacteria have to cope with high salinitiy to prevent loss of water. In this thesis it was shown that A. baylyi synthesizes glutamate and mannitol de novo as compatible solutes in response to osmotic stress to balance the osmotic potential. The pathway for mannitol biosynthesis from Fructose-6-Phosphate (F-6-P) via Mannitol-1-Phosphate (Mtl-1-P) was elucidated and the isolation and characterization of a novel type of biofunctional enzyme was described. Interestingly, the unique bifunctional enzyme MtlD, acting as dehydrogenase and phosphatase, mediates both steps of the mannitol biosynthesis pathway. This enzyme catalyzes the reduction of F-6-P to Mtl-1-P with NADPH as reducing equivalent. The dehydrogenase activity of MtlD was salt dependent and the phosphatase activity was dependent on Mg2+ as cofactor. Phylogenetic analyses revealed that MtlD is broadly distributed among other Acinetobacter strains but not in other phylogenetic tribes.
In this thesis it is also described that, besides de novo synthesis of compatible solutes, A. baylyi takes up glycine betaine (GB) or its precursor choline by different transport systems and uses this solutes as osmoprotectants. The uptake of GB occurs via a secondary transporter (ACIAD3460) of the BCCT family. Choline is taken up as precursor and oxidized to GB by two dehydrogenases. The uptake and use of choline as GB precursor involves two transporters, whose genes are encoded in the bet cluster (BetT1, BetT2), two dehydrogenases (BetA, BetB) and a regulatory protein (BetI). Both transporters differ from each other in structure and function: BetT1 is osmo-independent and active independently of osmotic stress. BetT2 contains - in contrast to BetT1 - a long C-terminal domain for osmo-sensing and its activity highly increases in the presence of high osmolarity. The oxidation of choline occurs independently of the osmolarity of the medium but in the absence of salt stress, GB is exported. In contrast, in the presence of high salinity, GB is accumulated in the cytoplasm to balance the osmotic potential in order to prevent loss of water. The regulation of both transporters, the uptake of choline independently of the osmolarity and the export of GB under isoosmotic conditions are regulated by the transcriptional regulator BetI.
A. baumannii ATCC 19606 was also shown to cope with high salinity. Analogously to A. baylyi, A. baumannii ATCC19606 synthesizes glutamate and mannitol de novo in response to osmotic stress. The genes for the synthesis of these compatible solutes are identical to those found in A. baylyi. This suggests that the solute biosynthesis pathways of A. baumannii and A. baylyi are identical. A. baumannii was also able to take up GB and choline in response to osmotic stress and growth at high salinity was restored upon addition of GB and its precursor choline. The bet cluster was also present in the genome A. baumannii and also contains the two different choline transporters BetT1 and BetT2.
Our suggestion that choline or GB or the utilization of phosphatidylcholine as carbon source led to an increase in the survival under desiccation stress was not confirmed. However, 2D analysis of proteins produced during desiccation stress in A. baumannii led to elevated amounts of proteins implicated in biofilm formation, regulation, cell morphology and general stress response, such as Hsp60 or superoxide dismutase, both might play a role in general stress protection.
Soil fungal communities are an essential element in the terrestrial ecosystem, however their response to ongoing anthropogenic climate change is currently poorly understood. Fungi are one of the most abundant groups of microbes in soil, they are mainly responsible for the decomposition of organic matter (Baldrian et al., 2012; Buée et al., 2009). By binding carbon in soil, fungi thus maintain an important role in the global carbon cycle (Bardgett et al., 2008). Future climates are likely to influence the communities of belowground microbial organisms (Castro et al., 2010; Deacon et al., 2006). However, how these communities are affected in their diversity, composition, and function after environmental perturbation is insufficiently known.
Molecular techniques using high-throughput sequencing are presently revolutionizing the analysis of complex communities, such as soil fungi. High-throughput metabarcoding enables the recovery of DNA sequence data directly from environmental samples, and DNA sequences from entire communities present in these samples can be simultaneously recovered through massively parallel sequencing reactions (Bik et al., 2012; Taberlet et al., 2012b). This results in more accurate estimation of diversity and community composition and thus provides unprecedented insight into cryptic communities (Lindahl and Kuske, 2014). Yet, challenges associated with these novel techniques include the bioinformatic processing, and the ecological analyses of the large amount of sequence data generated. Most biologists without explicit training in bioinformatics spend a fair amount of time learning how to filter raw sequence data, and customize bioinformatics pipelines specific to their project. To improve the quality of data treatment, and decrease the time needed for the analyses, it is desirable to have bioinformatics pipelines that are easy to use, well explained to researchers not trained in bioinformatics, and adaptable to individual research needs...
In our rapidly changing world, land use has been recognized as having one of the strongest impacts on species and genetic diversity. The present state of temperate forests in Europe is a product of decisions made by former and current management and policy actions, rather than natural factors. Alterations of crown projection areas, structural complexity of the forest stand caused by thinning and cuttings, and changes in tree species composition caused by regeneration or plantings not only affect forest interior buffering against warming, but also the understorey light environment and nutrient availability. Ultimately, current silvicultural management practices have deep impact on the forest ecosystems, microenvironmental changes and forest floor understorey herbs. In response to environmental changes, plants rely on genetically heritable phenotypic variation, an important level of variation in the population, as it is prerequisite for adaptation. However, until now most studies on plant adaptation to land use focus on grassland management. Yet, studies on the adaptation of forest understorey herbs to forest management have been absent so far. This is important because understanding adaptation of understorey herbs is crucial for biodiversity conservation, forest restoration, and climate change mitigation. Studying current adaptation of understorey herbs to forest management yields insights into the evolutionary consequences of management practices, which could be employed to improve sustainable use of forest habitat.
In sum, my conducted experiments complement each other well and managed to fill in research gaps on the topic of genetically heritable phenotypic variation in understorey herbs and how it is affected by forest management and related microenvironmental variables. I showed that forest management has direct evolutionary consequences on the genetic basis of understorey herbs, but also indirectly through the microenvironment. Furthermore, I revealed that local adaptation and phenotypic plasticity of understorey herbs to forest structural attributes act along continuous gradients. And lastly, I highlighted the important role of intra-individual variation by revealing plastic responses to drought and shading, urging researchers to not ignore this important level of trait variation. Ultimately, understorey herbs in temperate forests employ phenotypic plasticity as a flexible strategy to adapt to varying environmental conditions. By adjusting their leaf characteristics, reproductive investment, and phenology, they can optimize their fitness and survival in response to changes in light availability, resource availability, and seasonal cues. The anthropogenic impact on temperate forests and understorey herbs will continue and likely increase in the future. This should urge foresters to adapt their silvicultural management decisions towards the long-term preservation of genetic diversity and, through this, the evolvability and adaptability of forest understorey herbs and associated organisms. Based on the results shown in my dissertation, variation in forest management regimes and types could be beneficial for promoting genetic diversity within several species of forest understorey herbs. Lastly, in the face of future climatic changes, the mechanisms by which plants can cope with increasing stressful environmental conditions might very well rely heavily on intra-individual variation, providing the necessary rapid plastic adjustment to changing microclimatic conditions within populations and thus increase climate change resilience.
1. Der Abgleich der Genprodukte von PA0119, PA0120 und PA0121 ergab, dass PA0119 68%ige Ähnlichkeit mit dem DctA-Transporter von S. meliloti besitzt. Das Genprodukt PA0120 zeigt eine 46%ige Ähnlichkeit mit dem Transkriptionsregulator LctR von E. coli und trägt konservierte Domänen der GntR- sowie der FCDSuperfamilie. Das Genprodukt PA0121 weist eine 44%ige Ähnlichkeit mit einem hypothetischen Transkriptionsregulator von Streptomyces ambofaciens auf. 2. Es konnte gezeigt werden, dass die drei offenen Leserahmen (ORFs) PA0119, PA0120 und PA0121 von P. aeruginosa in mRNA transkribiert werden und somit Gene sind. In den späten CF-Isolaten M25 und M26 ist deren Transkriptmenge im Vergleich zum frühen CF-Isolat M1 sowie zum Referenzstamm P. aeruginosa PAO1 um das 14fache erhöht. 3. Mit Hilfe von RT-PCR Analysen konnte gezeigt werden, dass die drei Gene PA0119, PA0120 und PA0121 eine Transkriptionseinheit bilden und somit in einem Operon P0119-PA0121 organisiert sind. Die angrenzenden ORFs PA0118 und PA0122 konnten dieser Transkriptionseinheit nicht zugeordnet werden. 4. Analysen der Promotor-Reportergenfusion führten zu dem Schluss, dass die Strukturgene PA0119, PA0120 und PA0121 des Operons von einer stromaufwärts von PA0119 lokalisierten Promotorsequenz transkribiert werden. Der Promotor liegt ca. 237 bp vor dem Start von PA0119. Darüber hinaus konnte eine FadR-ähnliche Bindestelle in der Promotorregion P119-121 abgeleitet werden. 5. Der Promotor P119-121 zeigt in mit Dicarboxylaten supplementiertem Minimalmedium M9 eine 2-3fach erhöhte Promotoraktivität gegenüber dem mit Glukose supplementierten Minimalmedium M9. In Gegenwart von Dicarboxylaten erfährt der Promotor P119-121 somit eine Induktion bzw. durch Glukose eine Repression. 6. Der Promotor P119-121 wird wachstumsphasenabhängig reguliert. Die Abhängigkeit der Promotoraktivität von RhlI, RhlR und RpoS indiziert eine Quorum Sensingsowie RpoS-abhängige Regulation des Promotors P119-121. 7. Eine mit PA0119 durchgeführte heterologe Komplementation einer DctA-Mutante von S. meliloti führte zu einer partiellen Wiederherstellung der Fähigkeit der DctAMutante, auf den Dicarboxylaten Succinat und Fumarat wachsen zu können. Dieser Befund indiziert zusammen mit den vier konservierten Motiven, die bisher in charakterisierten Dicarboxylat-Transportern gefunden wurden, dass PA0119 potentiell einen Dicarbonsäure-Transporter in P. aeruginosa darstellt. 8. Mutantenstudien mit den generierten Mutanten ΔPA0119Ω, PA0120Ω und ΔPA0121Ω zeigten im Vergleich zum Wildtyp allerdings kein abweichendes Kulturwachstum; weder in den nährstoffreichen Medien ASM und LB noch im Minimalmedium M9, das jeweils mit 40 mM Succinat bzw. Glutamat supplemiert wurde. Dies wurde durch MicroArrayTM-Analysen mit den Biolog-Platten PM1 und PM2 bestätigt. Daraus wird deutlich, dass keine der hier angebotenen C-Quellen (siehe Anhang) ausschließlich von PA0119 transportiert wird. Auch die Verwertung dieser C-Quellen wird nicht durch die in den Mutanten PA0120::Ω und ΔPA0121::Ω ausgeschalteten Genprodukte beeinflusst. 9. In der Biolog-Platte PM10a schien ΔPA0119::Ω gegenüber PAO1 in den Kavitäten C1 (pH5.5, Methionin) und C10 (pH 5.5, Ornithin) eine leicht abweichende Stoffwechselaktivität zu besitzen. Dies indiziert eine mögliche pH-Abhängigkeit des potentiellen PA0119-Transporters. 10. Im Minimalmedium M9, supplemiert mit Glutamat, zeigt die Mutante ΔPA0119::Ω unter unter erhöhten osmotischen Bedingungen gegenüber dem Wildtyp PAO1 eine reduzierte Wachstumsrate. Dies indiziert, dass PA0119 unter erhöhten osmotischen Bedingungen am Transport von Dicarboxylaten, wie Glutamat, in die Zelle beteiligt sein könnte. 11. Biofilmbildung stellt die bevorzugte Wachstumsform von P. aeruginosa in der CF-Lunge dar. Das Genprodukt PA0120 zeigt zudem eine Ähnlichkeit mit dem Regulator LctR, und es wurde gezeigt, dass eine LctR-Mutante von E. coli in ihrer Fähigkeit zur Biofilmbildung beeinträchtigt ist. Die Untersuchung der ΔPA0119::Ω- und der PA0120::Ω-Mutanten zeigt im Vergleich zum Wildtyp im LB-Medium eine Beeinträchtigung in der Anheftung an Mikrotiterplatten. Dies indiziert, dass sowohl der potentielle Transporter PA0119 als auch der potentielle Transkriptionsregulator PA0120 an der Biofilmbildung von P. aeruginosa beteiligt sind. 12. Die Messung der Promotoraktivität in der ΔPA0119::Ω-Mutante zeigt eine Repression des Promotors an. In der PA0120::Ω-Mutante dagegen findet sich eine zweifache Induktion des Promotors vor PA0119-PA0121. Dies Ergebnis wird durch die Ergebnisse der Real-Time-PCR-Analysen untermauert, da in der PA0120::Ω-Mutante signifikant erhöhte Transkriptmengen des PA0119-Gens detektiert wurden. Bei der ΔPA0121::Ω-Mutante liegt die Promotor-Aktivität im Bereich von PAO1. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass das Genprodukt von PA0119 auf den Promotor P119-121 aktivierend wirkt, während das PA0120-Genprodukt die P119-121- Promotoraktivität negativ reguliert. 13. Zur Identifizierung weiterer PA0120-regulierter Gene wurde eine Transkriptomanalyse der PA0120::Ω-Mutante durchgeführt. Diese ergab, dass neben PA0119 vier weitere Gene, und zwar PA0656, PA0810, PA1852 und PA5261, signifikant hoch reguliert wurden. Vermutlich sind diese Genprodukte zusammen mit dem Regulator PA0120 Teile eines regulatorischen Netzwerks zur Anpassung von P. aeruginosa an die CF-Lunge.
Lysosomes are major degradative organelles that contain enzymes capable of breaking down proteins, nucleic acids, carbohydrates, and lipids. In the last decade, new discoveries have traced also important roles for lysosomes as signalling hubs, affecting metabolism, autophagy and pathogenic infections. Therefore, maintenance of a healthy lysosome population is of utmost importance to the cell to respond to both stress conditions and also homeostatic signalling. For example, for minor perturbations to the lysosomal membrane, the cell activates repair processes which seal membrane nicks. For more extensive damage, autophagy is activated to remove damaged organelles from the cell. on the other hand, during pathogen invasion host cells have also evolved mechanisms to hijack the endolysosomal pathway to facilitate their own growth and replication in host cells.
The first part of the thesis work focuses on a lysosomal regeneration program which is activated under conditions where the entire lysosomal pool of the cell is damaged. Upon extensive membrane damage induced by the lysosomotropic drug LLOMe, the cell activates a regeneration pathway which helps in the formation of new functional lysosomes by recycling damaged membranes. I have identified the molecules important for this novel pathway of lysosomal regeneration and showed how the protein TBC1D15 orchestrates this process to regenerate functional organelles from completely damaged membrane masses in the first 2 hours following lysosomal membrane damage. This process resembles the process of auto- lysosomal reformation (ALR)- involving the formation of lysosomal tubules which are extended along microtubules and cleaved in a dynamin2 dependent manner to form proto-lysosomes which develop into fully functional mature lysosomes. These lysosomal tubules are closely associated with ATG8 positive autophagosomal membranes and require ATG8 proteins to bind to the lysophagy receptor LIMP2 on damaged membranes. This process is physiologically important under conditions of crystal nephropathy where calcium oxalate crystals induce damage to lysosomal membranes in nephrons in kidney disease.
The second part of the thesis shows how the endolysosomal system of the cell is hijacked by the bacteriaLegionella pneumophila. During Legionella infection the formation of conventional ATG8 positive autophagosomes are blocked due to the protease activity of the bacterial effector protein RavZ which cleaves lipidated ATG8 proteins from autophagosomal membranes. The SidE effectors of Legionella modify STX17 and SNAP29 by the process of non-canonical ubiquitination called phosphoribose-linked serine ubiquitination (PR-Ub). These proteins are essential for the formation of the autophagosomal SNARE complex which is used for fusion of the autophagosome with the lysosome. Upon Legionella infection, PR-UB of STX17 aids in formation of autophagosome-like replication vacuoles. ThesevacuolesdonotfusewiththelysosomebecauseSNAP29isalsoPR-Ubmodified. PR-UbofSTX17 and SNAP29 sterically blocks the formation of the autophagosomal-SNARE complex thereby preventing fusion of the autophagosome with the lysosome. As a result, Legionella can replicate in autophagosome- like vacuoles which do not undergo lysosomal degradation. In absence of PR-Ub modified STX17, bacterial replication is compromised when measured by bacterial replication assays in lung epithelial (A549) cells.
Taken together, this thesis highlights two important aspects of the autophagy-lysosomal system- how it responds to extensive membrane damage and its importance in Legionella pneumophila infection. Extensive damage to lysosomal membranes triggers a rapid regeneration process to partially restore lysosomal function before the effects of TFEB dependent lysosomal biogenesis becomes apparent. On the other hand, Legionella pneumophila infection segregates the lysosomes from the rest of the endo-lysosomal system by blocking autophagosome-lysosome fusion. Though lysosomes remain active, they are incapable of degrading pathogens since pathogen containing vacuoles do not fuse with the lysosome.
Das Ziel des adaptiven Entwurfs von Substanzbibliotheken ist es, die vollständige biologische Testung einer molekularen Screeningbibliothek zu vermeiden. Stattdessen erfolgt, geleitet durch Optimierungsalgorithmen, eine "intelligente" Navigation durch den chemischen Raum, um so bevorzugt Substanzen mit gewünschten Eigenschaften auszuwählen. In einer retrospektiven Studie wurden die Optimierungsalgorithmen "Zufallssuche", "Simulated Annealing", "Evolutionsstrategie" und "Partikelschwarmoptimierung" im Hinblick auf den Entwurf von Bibliotheken von Serinproteaseinhibitoren systematischen verglichen. Die Gesamtzahl verfügbarer Substanztestungen wurde auf 300 beschränkt, um Laborbedingungen zu simulieren. Als Ergebnis zeigten sich besonders die Evolutionsstrategien für einen Einsatz in einer Niedrigdurchsatzscreening-Kampagne geeignet, da diese effizient mit großen Populationen und wenigen Iterationen arbeiteten. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt den erfolgreichen Entwurf einer fokussierten Bibliothek von RNA-Liganden. In einer hybriden, prospektiven Optimierungsstudie wurden nach dem Vorbild einer iterativen Niedrigdurchsatzscreening-Kampagne vom Computer vorgeschlagene Moleküle im Labor getestet. Die Substanzen wurden auf Inhibition einer spezifischen molekularen Wechselwirkung im Replikationszyklus von HIV getestet (Tat-TAR-Interaktion). In vier Generationen wurden 9 von 170 untersuchten Verbindungen positiv auf Inhibition der Tat-TAR-Interaktion getestet (Trefferquote: 5,3%), wobei lediglich 0,089% der Verbindungen der Screeningbibliothek untersucht wurden. Die zwei potentesten Kandidaten wiesen einen IC50 von 51 uM bzw. 116 uM auf.
Adaptive Radiation und Zoogeographie anisakider Nematoden verschiedener Klimazonen und Ozeane
(2013)
Anisakide Nematoden sind Parasiten aquatischer Organismen und weltweit in marinen Habitaten verbreitet. Ihre Übertragungswege sind tief im marinen Nahrungsnetz verwurzelt und schließen ein breites Spektrum pelagisch/benthischer Invertebraten (z.B. Cephalopoda, Gastropoda, Crustacea, Polychaeta) und Vertebraten (z.B. Teleostei, Elasmobranchia, Cetacea, Pinnipedia, Aves) als Zwischen- bzw. Endwirte ein. Aufgrund der hohen Befallszahlen u.a. in der Muskulatur und Viszera kommerziell intensiv genutzter Fischarten (z.B. Clupea harengus, Gadus morhua, Salmo salar) sowie ihrer Rolle als Auslöser der menschlichen Anisakiasis nehmen die Vertreter der Gattung Anisakis unter den anisakiden Nematoden eine Sonderstellung ein. Anhand der verbesserten Diagnostik und der Etablierung sowie Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden ist es in den letzten zwei Dekaden gelungen, die bestehende Taxonomie und Systematik der Gattung Anisakis zu erweitern bzw. zu revidieren. Aktuelle molekulare Analysen weisen auf die Existenz von insgesamt neun distinkten Arten hin, welche eine hohe genetische Heterogenität und Wirtsspezifität aufweisen, äußerlich jedoch nahezu identisch sind (sog. kryptische Arten). Trotz kontinuierlicher Forschung auf dem Gebiet ist das Wissen über die Biologie von Anisakis immer noch unzureichend.
Die vorliegende Dissertation ist in kumulativer Form verfasst und umfasst drei (ISI-) Einzelpublikationen. Die Zielsetzung der durchgeführten Studien bestand unter anderem darin, unter Verwendung molekularbiologischer und computergestützter Analyseverfahren, Fragestellungen zur Zoogeographie, (Co-)Phylogenie, Artdiagnostik, Lebenszyklus-Ökologie sowie des bioindikatorischen Potentials dieser Gattung zu bearbeiten und bestehende Wissenslücken zu schließen.
Die Verbreitung von Anisakis, welche bisher ausschließlich anhand von biogeographischen Einzelnachweisen abgeschätzt wurde, konnte durch den angewandten Modellierungsansatz erstmalig interpoliert und in Kartenform vergleichend dargestellt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Verbreitung von Anisakis spp. in den Ozeanen und Klimazonen nicht gleichmäßig ist. Die Analysen deuten auf die Existenz spezies-spezifischer horizontaler und vertikaler Verbreitungsmuster hin, welche neben abiotischen Faktoren durch die Verbreitung und Abundanz der jeweiligen Zwischen- und Endwirte sowie deren Tiefenverteilung und Nahrungspräferenzen geprägt sind.
Durch die umfangreiche Zusammenstellung und anschließende Kategorisierung der (mit molekularen Methoden) geführten Zwischenwirtsnachweise konnten indirekte Rückschlüsse über die vertikale Verbreitung von Anisakis spp. entlang der Tiefenhabitate gezogen werden.
Während Anisakis auf Gattungsebene in der gesamten Wassersäule entlang verschiedener Tiefenhabitate abundant ist, wurde für die stenoxene Art Anisakis paggiae ein meso-/bathypelagisch orientierter Lebenszyklus postuliert. Durch den Einbezug eines breiten Spektrums (paratenischer) Zwischen- und Transportwirte aus unterschiedlichen trophischen Ebenen werden Transmissionslücken im Lebenszyklus der Gattung weitestgehend minimiert und der Transmissionserfolg auf den Endwirt, und damit die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Reproduktion, erhöht. Ausgeprägte Wirtspräferenzen sowie phylogenetische Analysen des ribosomalen ITS-Markers stützen eine Theorie zur co-evolutiven Anpassung der Parasiten an ihre Endwirte. Anisakis eignet sich daher unter Einschränkungen als Bioindikator für die vertikale und horizontale Verbreitung und Abundanz der Endwirte und lässt Rückschlüsse auf trophische Interaktionen im Nahrungsnetz zu. Durch die weitere Beprobung von Zwischenwirten aus verschiedenen trophischen Ebenen in zukünftigen Studien, kann eine genauere Bewertung potentiell abweichender Lebenszyklus-Strategien gewährleistet werden. Insbesondere ist die Datenlage zur Prävalenz und Abundanz anisakider Nematoden in Cephalopoda und Crustacea noch unzureichend. Die Probennahme sollte dabei unter besonderer Berücksichtigung bislang wenig oder unbeprobter geographischer Regionen, Tiefenhabitate und Wirtsarten durchgeführt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein klinisches Alarmsystem für septische Schock-Patienten aufgebaut. Zweckmäßigerweise wurden hierfür metrische körpereigene Variablen verwendet, da Analysen belegt haben, dass die metrischen Daten besser zur Alarmgenerierung geeignet sind als die symbolischen Daten. Für das Training des adaptiven Neuro-Fuzzy-Systems wurden die Daten der letzten Tage des Intensivaufenthalts verwendet, da in diesem Zeitraum, im Gegensatz zu den ersten Tagen, eine gute Klassifikationsperformanz erreicht wurde. Die daraus resultierenden Alarmhistorien liefern zuverlässige Hinweise für den Intensivmediziner auf besonders kritische Patienten. Durch diese Arbeit wird es möglich werden, den medizinischen SOFA-Score, der aus 10 Variablen zusammengesetzt ist, durch die einfachere Kombination "Systolischer Blutdruck / Diastolischer Blutdruck / Thrombozyten" zu ersetzen mit einer mindestens genauso guten Performanz. Durch die Hinzunahme weiterer Variablen ist es möglich, die Performanz des SOFA-Scores zu überbieten, wobei der SOFA-Score bereits die beste Klassifikationsperformanz unter den getesteten Scores erreichte. Die erzeugten Regeln konnten die Klassifikationsentscheidung sinnvoll untermauern. Im Gegensatz zur automatischen Regelgenerierung war es Ärzten nicht möglich ahnlich sinnvolle formale Regeln zu formulieren.
Adaptormoleküle zur Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren oder miRNAs an nicht native Bindestellen
(2020)
Die Kontrolle der Genexpression ist eines der großen Ziele der chemischen Biologie. Gemäß dem klassischen Dogma der Molekularbiologe verläuft der Fluss der genetischen Information über die Transkription von DNA zur messenger RNA (mRNA) und durch die Translation von mRNA zu Proteinen. Auch wenn der ursprünglichen Formulierung dieses Dogmas verschiedene Aspekte hinzugefügt wurden, bleibt die Kernaussage unverändert. Eine Störung der Genexpression ist in vielen Fällen die Ursache für schwerwiegende Erkrankungen. Klassische Therapeutika, die im Allgemeinen aus kleinen Molekülen bestehen, können pathogene Proteine spezifisch binden und inhibieren. Allerdings greifen diese Wirkstoffe am Ende der Produktionskette ein und nicht alle Proteine können adressiert werden. Im Gegensatz dazu könnte ein Eingriff auf der Ebene der Transkription oder Translation die Expression der pathogenen Proteine auf ein normales Maß senken oder ganz verhindern. Als entscheidende Regulatoren der Genexpression stellen Transkriptionsfaktoren (TFs) einen interessanten Angriffspunkt zur Kontrolle der Transkription dar. TFs können über den Kontakt zu weiteren Proteinen die RNA Polymerase II rekrutieren und so die Transkription starten. Für die Translation ist die Halbwertszeit der mRNA ein entscheidender Faktor. Die Lebensdauer wird durch eine Vielzahl an Proteinen und micro RNAs (miRNAs) reguliert. MiRNAs sind kurze Oligonukleotide, die in Argonautproteine eingebaut werden können. Die daraus resultierenden RNA-induced silencing complexes (RISCs) sind in der Lage, den Abbau der mRNA einzuleiten. Sowohl TFs als auch RISCs besitzen dabei Nukleinsäure-bindende Untereinheiten, die mit spezifische Sequenzen assoziieren. In gewisser Weise ist die molekulare Erkennung der Nukleinsäuren vergleichbar mit einer Postsendung, die aufgrund der Adresse korrekt zugestellt wird. Um in diesem Bild des täglichen Lebens zu bleiben: Bei einem Wechsel des Wohnorts ist es üblich, einen Nachsendeauftrag zu stellen. Dabei wird die alte Anschrift auf den Postsendungen mit einem neuen Adressetikett überklebt und die Zustellung erfolgt an den neuen Wohnort. Das zentrale Thema dieser Dissertation ist, dieses „Umetikettieren“ auch auf TFs und RISCs zu übertragen. Hierbei ist es notwendig, die Nukleinsäure-bindenden Untereinheiten der Komplexe, also die „alte Adresse“, vollständig zu blockieren und gleichzeitig eine hohe Affinität zu einer neuen Sequenz zu erzeugen. Hierzu könnten bifunktionale Adaptormoleküle verwendet werden.
Die Adaptoren für die Rekrutierung von TFs müssen in der Lage sein, sowohl die doppelsträngige DNA (dsDNA) als auch einen TF zu binden (Abbildung I). Dabei sollte eine Selbstbindung des Adaptors vermieden werden. In dieser Arbeit wurde der TF Sp1 als Ziel gewählt, da er an GC-reiche dsDNAs bindet. Dies ermöglicht die Wahl einer AT- oder GA reichen DNA-Sequenz als Ziel der Umleitung, wodurch eine Selbstbindung des Adaptors minimiert werden sollte. Zur Erkennung der DNA war geplant, Pyrrol-Imidazol-Polyamide (PIPs), triplexbildende Oligonukleotide (TFOs) oder pseudokomplementäre PNAs einzusetzen. Für Letztere war es möglich, eine neue Syntheseroute zu einem Fmoc geschützten Thiouracil-Monomer zu entwerfen. Dabei konnte eine selektive Alkylierung an der N1-Position des Thiouracils durchgeführt werden. Auf Basis der PIPs und der TFOs wurden jeweils verschiedene Adaptoren entworfen, deren Bindung zu ihren Zielen mit Band-Shift-Experimenten und im Fall der PIPs zusätzlich mit fluoreszenzbasierten Pulldown-Experimenten gezeigt wurde. Im Rahmen dieser Versuche zeigte sich, dass die PIP-basierten Systeme deutlich besser an die Zielsequenzen banden als die TFO-basierten Adaptoren. Das Konjugat K5a besaß hierbei die besten Eigenschaften. Weiterhin konnte mit diesem Adaptor in Pulldown-Experimenten gezeigt werden, dass Sp1 auf eine nicht kanonische AT-reiche Bindestelle umgeleitet wurde. Im Anschluss konnte das Sp1 in Western-Blots detektiert werden. Des Weiteren ließ sich zeigen, dass K5a in einem HeLa Lysat über mehrere Stunden stabil war und somit eine Anwendung in Zellkulturexperimenten möglich sein sollte.
Für die Rekrutierung der RISCs war lediglich eine Erkennung zweier einzelsträngiger RNA-Abschnitte notwendig. Hierzu wurden zwei LNAs oder LNA/DNA-Mixmere verwendet, die über einen Linker verknüpft waren (Abbildung I). Als Folge dieses Aufbaus mussten die beiden Adaptorhälften orthogonal sein, da eine Selbstbindung des Adaptors leichter als bei den TF-Adaptoren auftreten konnte. Diese Adaptoren wurden mit Band-Shift- und fluoreszenzbasierten Pulldown-Experimenten auf ihre Fähigkeit, eine Cy5-gelabelte miRNA auf eine Ziel-RNA umzuleiten, überprüft. Es konnte beobachtet werden, dass all-LNA Adaptoren sehr viele off-target-Effekt aufwiesen, welche die Umleitung von miRNAs verhinderte. Im Gegensatz dazu konnten mit DNA/LNA-Mixmeren eine vollständige Umleitung von miRNA-Modellen beobachtet werden. Es war ebenfalls möglich, spezifische RISCs aus HeLa-Lysaten mit unterschiedlichen Adaptoren in Pulldown-Experimenten zu isolieren und in nachfolgenden Western-Blots zu detektieren. Nachdem gezeigt war, dass eine Umleitung in vitro gelang, sollte die Funktion der Adaptoren in Zellkulturexperimenten geprüft werden. Allerdings konnten in diesen Versuchen keine eindeutigen Ergebnisse erhalten werden, sodass die biologische Relevanz der RISC-Umleitung bislang noch nicht bestätigt werden konnte.