TY  - THES
A1  - Šustr, David
T1  - Molecular diffusion in polyelectrolyte multilayers
N2  - Research on novel and advanced biomaterials is an indispensable step towards their applications in desirable fields such as tissue engineering, regenerative medicine, cell culture, or biotechnology. The work presented here focuses on such a promising material: polyelectrolyte multilayer (PEM) composed of hyaluronic acid (HA) and poly(L-lysine) (PLL). This gel-like polymer surface coating is able to accumulate (bio-)molecules such as proteins or drugs and release them in a controlled manner. It serves as a mimic of the extracellular matrix (ECM) in composition and intrinsic properties. These qualities make the HA/PLL multilayers a promising candidate for multiple bio-applications such as those mentioned above. The work presented aims at the development of a straightforward approach for assessment of multi-fractional diffusion in multilayers (first part) and at control of local molecular transport into or from the multilayers by laser light trigger (second part).

The mechanism of the loading and release is governed by the interaction of bioactives with the multilayer constituents and by the diffusion phenomenon overall. The diffusion of a molecule in HA/PLL multilayers shows multiple fractions of different diffusion rate. Approaches, that are able to assess the mobility of molecules in such a complex system, are limited. This shortcoming motivated the design of a novel evaluation tool presented here.
The tool employs a simulation-based approach for evaluation of the data acquired by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) method. In this approach, possible fluorescence recovery scenarios are primarily simulated and afterwards compared with the data acquired while optimizing parameters of a model until a sufficient match is achieved. Fluorescent latex particles of different sizes and fluorescein in an aqueous medium are utilized as test samples validating the analysis results. The diffusion of protein cytochrome c in HA/PLL multilayers is evaluated as well.
This tool significantly broadens the possibilities of analysis of spatiotemporal FRAP data, which originate from multi-fractional diffusion, while striving to be widely applicable. This tool has the potential to elucidate the mechanisms of molecular transport and empower rational engineering of the drug release systems.

The second part of the work focuses on the fabrication of such a spatiotemporarily-controlled drug release system employing the HA/PLL multilayer. This release system comprises different layers of various functionalities that together form a sandwich structure. The bottom layer, which serves as a reservoir, is formed by HA/PLL PEM deposited on a planar glass substrate. On top of the PEM, a layer of so-called hybrids is deposited. The hybrids consist of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) -based hydrogel microparticles with surface-attached gold nanorods. The layer of hybrids is intended to serve as a gate that controls the local molecular transport through the PEM–solution-interface. The possibility of stimulating the molecular transport by near-infrared (NIR) laser irradiation is being explored.
From several tested approaches for the deposition of hybrids onto the PEM surface, the drying-based approach was identified as optimal. Experiments, that examine the functionality of the fabricated sandwich at elevated temperature, document the reversible volume phase transition of the PEM-attached hybrids while sustaining the sandwich stability. Further, the gold nanorods were shown to effectively absorb light radiation in the tissue- and cell-friendly NIR spectral region while transducing the energy of light into heat. The rapid and reversible shrinkage of the PEM-attached hybrids was thereby achieved. Finally, dextran was employed as a model transport molecule. It loads into the PEM reservoir in a few seconds with the partition constant of 2.4, while it spontaneously releases in a slower, sustained manner. The local laser irradiation of the sandwich, which contains the fluorescein isothiocyanate tagged dextran, leads to a gradual reduction of fluorescence intensity in the irradiated region.
The release system fabricated employs renowned photoresponsivity of the hybrids in an innovative setting. The results of the research are a step towards a spatially-controlled on-demand drug release system that paves the way to spatiotemporally controlled drug release.

The approaches developed in this work have the potential to elucidate the molecular dynamics in ECM and to foster engineering of multilayers with properties tuned to mimic the ECM. The work aims at spatiotemporal control over the diffusion of bioactives and their presentation to the cells.
N2  - Die Forschung an neuartigen und komplexen Biomaterialien ist unabdingbar für deren Einsatz in begehrten Bereichen wie der Gewebezüchtung, regenerativen Medizin, Zellkultivierung und Biotechnologie. Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich eingehend mit einem dieser vielversprechenden Materialien: Polyelektrolytische Multilayers (PEM), die aus Hyaluronsäure (Hyaluronic Acid, HA) und Poly-L-Lysin (PLL) zusammengesetzt sind. Diese gelartige Polymerbeschichtung ermöglicht es, (Bio-) Moleküle wie z.B. Proteine oder Medikamente zu akkumulieren und diese kontrolliert wieder abzugeben. Durch ihre Zusammensetzung und intrinsischen Merkmale können die PEM der Imitation einer Extrazellulären Matrix (ECM) dienen. Diese Eigenschaften machen die HA/PLL-PEM zu einem Anwärter auf verschiedene Bio-Anwendungen, wie den oben genannten. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Ansatzes zur Einschätzung der multi-fraktionellen Diffusion in Multilayers (1. Teil), und auf die Kontrolle des lokalen molekularen Transports in und aus den Multilayers durch Laser-Stimulation (2. Teil).

Der Aufnahme- und Freisetzungsmechanismus wird bestimmt von der Wechselwirkung zwischen Bioaktiva und den Bestandteilen der Multilayers, sowie allgemein vom Diffusionsprozess. Der Diffusion eines Molekül in HA/PLL-PEM weist unterschiedliche Diffusionsraten einzelner Molekülbestandteile auf. Derzeit existieren nur wenige Ansätze zur Einschätzung der Mobilität von Molekülen in derart komplexen Systemen. Diesem Mangel will die vorliegende Arbeit durch das Design eines neuartigen Evaluations-Instruments abhelfen.
Dieses Instrument bedient sich eines simulationsbasierten Ansatzes zur Evaluation von Daten, die durch die fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) -Methode erfasst wurden. Der Ansatz simuliert zunächst mögliche Szenarien der Fluoreszenz-Rückbildung, um diese anschließend mit Messdaten zu vergleichen; dazu werden Modell-Parameter angepasst, um suffiziente Vergleichswerte zu erzielen. Fluoreszierende Latex-Partikel verschiedener Größe und eine Fluoresceinlösung wurden als Kontroll- und Vergleichs-Proben verwendet, um die Ergebnisse zu überprüfen. Zusätzlich wurde die Diffusion des Proteins Cytochrom C in eine HA/PLL-PEM ausgewertet.
Dieses Instrument weitet die Möglichkeiten der Analyse von spatiotemporären FRAP-Daten, die aus der multi-fraktionellen Diffusion stammen, erheblich und gleichzeitig ist es vielseitig einsetzbar. Das Instrument hat das Potential, die Mechanismen des Molekültransports weiter zu erhellen, und eine gezielte Steuerung der Freisetzung medikamentöser Wirkstoffe zu ermöglichen.

Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Erstellung eines Systems zur spatiotemporären Wirkstofffreisetzung, das sich die HA/PLL-PEM zunutze macht. Dieses Freisetzungssystem umfasst verschiedene Lagen mit jeweils unterschiedlichen Funktionsweisen, die zusammen ein „Sandwich“ bilden. Die zugrundeliegende Schicht aus HA/PLL-PEM auf einem planaren Glassubstrat dient als Reservoir. Auf diese PEM ist eine Schicht sogenannter Hybride aufgebracht. Die Hybride bestehen aus thermoresponsiven Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) -basierten Hydrogel-Mikropartikeln auf deren Gold-Nanostäbchen gebunden sind. Die Hybridschicht dient in der räumlichen Kontrolle des lokalen Molekültransports als „Schlupfloch“ an der Schnittstelle von PEM und Lösung. Die Möglichkeit der Stimulation des molekülaren Transports durch Bestrahlung mit einem Nah-Infrarot-Laser (NIR) wird hier untersucht.
Von den mehreren getesteten Ansätzen zur Aufbringung von Hybriden auf die PEM-Oberfläche stellte sich die Trocknung als beste Möglichkeit heraus. Funktionalitätskontrollen des hergestellten Sandwiches bei erhöhter Temperatur ergaben eine reversible Volumenphasenübergang der PEM-gebundenen Hybride, wobei die Sandwich-Struktur erhalten blieb. Weiterhin wurde eine effektive Lichtabsorption durch die Gold-Nanostäbchen in den gewebe- und zellschonenden NIR-Spektrumsbereich gezeigt, wobei die aufgenommene Lichtenergie in Wärme umgewandelt wurde. Dadurch wurde eine schnelle und reversible Schrumpfung der PEM-gebundenen Hybride erreicht.
Zuguterletzt wird Dextran als Modellmolekül für den Transport eingesetzt. Dieses wird in wenigen Sekunden – mit einem Verteilungskoeffizient von 2,4 – in das PEM-Reservoir aufgenommen, während es auf langsamere, anhaltende Weise freigesetzt wird. Die lokale Laser-Bestrahlung des Dextran-FITC-haltigen Sandwiches bewirkte eine schrittweise Reduktion der Fluoreszenz-Intensität in der bestrahlten Region.
Das hier vorgestellte Molekül-Freisetzungssystem verwendet die vielzitierte Photoresponsivität von Hybriden auf neuartige Weise. Die Ergebnisse der Untersuchung bedeuten einen Fortschritt in Richtung eines räumlich kontrollierten, nach Bedarf steuerbaren Freisetzungs-Systems, das wiederum den Weg zu einer spatiotemporären Kontrollierbarkeit der Wirkstoff-Freisetzung bereiten könnte.

Die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik in der ECM, sowie die Entwicklung ECM-ähnlicher Multilayers. Die Arbeit hat die spatiotemporäre Kontrolle der Diffusion von bioaktiven Stoffen und deren Präsentation gegenüber Zellen zum Ziel.
T2  - Molekulare Diffusion in Polyelektrolyt-Multischichten
KW  - polyelectrolyte multilayers
KW  - diffusion
KW  - simulation
KW  - FRAP
KW  - microgel
KW  - drug release
KW  - PNIPAM
KW  - IR laser
KW  - assessment of the diffusion
KW  - mulifractional diffusion
KW  - spatially and temporally controlled drug release
KW  - ordering of particles on the surface
KW  - close packing
KW  - dichteste Packung
KW  - Diffusion
KW  - Einschätzung der Diffusion
KW  - Wirkstoff-Freisetzun
KW  - Mikrogel
KW  - multi-fraktionelle Diffusion
KW  - Ordnung der Partikel auf der Oberfläche
KW  - Polyelektrolyt-Multischichten
KW  - Simulation
KW  - räumlich und zeitlich kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung
KW  - FRAP
KW  - IR laser
KW  - PNIPAM
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489038
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ziege, Ricardo
T1  - Growth dynamics and mechanical properties of E. coli biofilms
T1  - Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften von E. coli Biofilmen
N2  - Biofilms are complex living materials that form as bacteria get embedded in a matrix of self-produced protein and polysaccharide fibres. The formation of a network of extracellular biopolymer fibres contributes to the cohesion of the biofilm by promoting cell-cell attachment and by mediating biofilm-substrate interactions. This sessile mode of bacteria growth has been well studied by microbiologists to prevent the detrimental effects of biofilms in medical and industrial settings. Indeed, biofilms are associated with increased antibiotic resistance in bacterial infections, and they can also cause clogging of pipelines or promote bio-corrosion. However, biofilms also gained interest from biophysics due to their ability to form complex morphological patterns during growth. Recently, the emerging field of engineered living materials investigates biofilm mechanical properties at multiple length scales and leverages the tools of synthetic biology to tune the functions of their constitutive biopolymers.  
This doctoral thesis aims at clarifying how the morphogenesis of Escherichia coli (E. coli) biofilms is influenced by their growth dynamics and mechanical properties. To address this question, I used methods from cell mechanics and materials science. I first studied how biological activity in biofilms gives rise to non-uniform growth patterns. In a second study, I investigated how E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties adapt to an environmental stimulus, namely the water content of their substrate. Finally, I estimated how the mechanical properties of E. coli biofilms are altered when the bacteria express different extracellular biopolymers.
On nutritive hydrogels, micron-sized E. coli cells can build centimetre-large biofilms. During this process, bacterial proliferation and matrix production introduce mechanical stresses in the biofilm, which release through the formation of macroscopic wrinkles and delaminated buckles. To relate these biological and mechanical phenomena, I used time-lapse fluorescence imaging to track cell and matrix surface densities through the early and late stages of E. coli biofilm growth. Colocalization of high cell and matrix densities at the periphery precede the onset of mechanical instabilities at this annular region. Early growth is detected at this outer annulus, which was analysed by adding fluorescent microspheres to the bacterial inoculum. But only when high rates of matrix production are present in the biofilm centre, does overall biofilm spreading initiate along the solid-air interface. By tracking larger fluorescent particles for a long time, I could distinguish several kinematic stages of E. coli biofilm expansion and observed a transition from non-linear to linear velocity profiles, which precedes the emergence of wrinkles at the biofilm periphery. Decomposing particle velocities to their radial and circumferential components revealed a last kinematic stage, where biofilm movement is mostly directed towards the radial delaminated buckles, which verticalize. The resulting compressive strains computed in these regions were observed to substantially deform the underlying agar substrates. The co-localization of higher cell and matrix densities towards an annular region and the succession of several kinematic stages are thus expected to promote the emergence of mechanical instabilities at the biofilm periphery. These experimental findings are predicted to advance future modelling approaches of biofilm morphogenesis. 
E. coli biofilm morphogenesis is further anticipated to depend on external stimuli from the environment. To clarify how the water could be used to tune biofilm material properties, we quantified E. coli biofilm growth, wrinkling dynamics and rigidity as a function of the water content of the nutritive substrates. Time-lapse microscopy and computational image analysis revealed that substrates with high water content promote biofilm spreading kinetics, while substrates with low water content promote biofilm wrinkling. The wrinkles observed on biofilm cross-sections appeared more bent on substrates with high water content, while they tended to be more vertical on substrates with low water content. Both wet and dry biomass, accumulated over 4 days of culture, were larger in biofilms cultured on substrates with high water content, despite extra porosity within the matrix layer. Finally, the micro-indentation analysis revealed that substrates with low water content supported the formation of stiffer biofilms. This study shows that E. coli biofilms respond to the water content of their substrate, which might be used for tuning their material properties in view of further applications.
Biofilm material properties further depend on the composition and structure of the matrix of extracellular proteins and polysaccharides. In particular, E. coli biofilms were suggested to present tissue-like elasticity due to a dense fibre network consisting of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose. To understand the contribution of these components to the emergent mechanical properties of E. coli biofilms, we performed micro-indentation on biofilms grown from bacteria of several strains. Besides showing higher dry masses, larger spreading diameters and slightly reduced water contents, biofilms expressing both main matrix components also presented high rigidities in the range of several hundred kPa, similar to biofilms containing only curli fibres. In contrast, a lack of amyloid curli fibres provides much higher adhesive energies and more viscoelastic fluid-like material behaviour. Therefore, the combination of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose fibres implies the formation of a composite material whereby the amyloid curli fibres provide rigidity to E. coli biofilms, whereas the phosphoethanolamine-modified cellulose rather acts as a glue. These findings motivate further studies involving purified versions of these protein and polysaccharide components to better understand how their interactions benefit biofilm functions. 
All three studies depict different aspects of biofilm morphogenesis, which are interrelated. The first work reveals the correlation between non-uniform biological activities and the emergence of mechanical instabilities in the biofilm. The second work acknowledges the adaptive nature of E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties to an environmental stimulus, namely water. Finally, the last study reveals the complementary role of the individual matrix components in the formation of a stable biofilm material, which not only forms complex morphologies but also functions as a protective shield for the bacteria it contains. Our experimental findings on E. coli biofilm morphogenesis and their mechanical properties can have further implications for fundamental and applied biofilm research fields.
N2  - Biofilme sind komplexe lebende Materialien, die sich bilden, wenn Bakterien in eine Matrix aus selbstproduzierten Protein- und Polysaccharidfasern eingebettet werden. Die Bildung eines Netzwerks aus extrazellulären Biopolymerfasern trägt zum Zusammenhalt des Biofilms bei, indem sie die Zell-Zell-Anhaftung fördert und die Wechselwirkungen zwischen Biofilm und Substrat vermittelt. Diese sessile Form des Bakterienwachstums wurde von Mikrobiologen eingehend untersucht, um die schädlichen Auswirkungen von Biofilmen in der Medizin und Industrie zu verhindern. Biofilme werden nämlich mit einer erhöhten Antibiotikaresistenz bei bakteriellen Infektionen in Verbindung gebracht, und sie können auch zur Verstopfung von Rohrleitungen führen oder Biokorrosion fördern. Biofilme sind jedoch auch für die Biophysik von Interesse, da sie während ihres Wachstums komplexe morphologische Muster bilden können. In jüngster Zeit werden auf dem aufstrebenden Gebiet der künstlich hergestellten lebenden Materialien die mechanischen Eigenschaften von Biofilmen auf verschiedenen Längenskalen untersucht und die Werkzeuge der synthetischen Biologie genutzt, um die Funktionen ihrer konstitutiven Biopolymere zu beeinflussen.  
In dieser Doktorarbeit soll geklärt werden, wie die Morphogenese von Escherichia coli (E. coli)-Biofilmen durch deren Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften beeinflusst wird. Um dieser Frage nachzugehen, habe ich Methoden aus der Zellmechanik und der Materialwissenschaft verwendet. Zunächst habe ich untersucht, wie die biologische Aktivität in Biofilmen zu ungleichmäßigen Wachstumsmustern führt. In einer zweiten Studie untersuchte ich, wie sich die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften an einen Umweltstimulus, nämlich den Wassergehalt des Substrats, anpassen. Schließlich habe ich abgeschätzt, wie sich die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen verändern, wenn die Bakterien verschiedene extrazelluläre Biopolymere exprimieren.
Auf nährstoffhaltigen Hydrogelen können mikrometergroße E. coli-Zellen zentimetergroße Biofilme bilden. Während dieses Prozesses führen die bakterielle Vermehrung und die Matrixproduktion zu mechanischen Spannungen im Biofilm, die sich durch die Bildung von makroskopischen Falten und delaminierten Knicken entladen. Um diese biologischen und mechanischen Phänomene miteinander in Beziehung zu setzen, habe ich mit Hilfe von Zeitraffer-Fluoreszenzaufnahmen die Zell- und Matrixoberflächendichte in den frühen und späten Phasen des E. coli-Biofilmwachstums verfolgt. Die Kolokalisierung hoher Zell- und Matrixdichten an der Peripherie geht dem Auftreten mechanischer Instabilitäten in diesem ringförmigen Bereich voraus. An diesem äußeren Ring wird ein frühes Wachstum festgestellt, das durch Zugabe von fluoreszierenden Mikrokugeln zum bakteriellen Inokulum analysiert wurde. Aber nur wenn im Zentrum des Biofilms hohe Raten der Matrixproduktion vorhanden sind, beginnt die Ausbreitung des gesamten Biofilms entlang der Feststoff-Luft-Grenzfläche. Indem ich größere fluoreszierende Partikel über einen längeren Zeitraum verfolgte, konnte ich mehrere kinematische Stadien der E. coli-Biofilmexpansion unterscheiden und einen Übergang von nichtlinearen zu linearen Geschwindigkeitsprofilen beobachten, der dem Auftreten von Falten an der Biofilmperipherie vorausgeht. Die Zerlegung der Partikelgeschwindigkeiten in ihre radialen und umlaufenden Komponenten ergab ein letztes kinematisches Stadium, in dem die Bewegung des Biofilms hauptsächlich auf die radialen delaminierten Knicke gerichtet ist, die sich vertikalisieren. Die in diesen Regionen berechneten Druckspannungen verformen die darunter liegenden Agarsubstrate erheblich. Die gleichzeitige Ansammlung höherer Zell- und Matrixdichten in einer ringförmigen Region und die Abfolge mehrerer kinematischer Stadien dürften somit das Entstehen mechanischer Instabilitäten an der Biofilm-Peripherie fördern. Diese experimentellen Ergebnisse werden voraussichtlich zukünftige Modellierungsansätze der Biofilmmorphogenese voranbringen. 
Die Morphogenese des E. coli-Biofilms wird voraussichtlich auch von externen Stimuli aus der Umwelt abhängen. Um zu klären, wie das Wasser zur Einstellung der Materialeigenschaften von Biofilmen genutzt werden könnte, haben wir das Wachstum, die Faltenbildung und die Steifigkeit von E. coli-Biofilmen in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Nährsubstrate quantifiziert. Zeitraffermikroskopie und computergestützte Bildanalyse zeigten, dass Substrate mit hohem Wassergehalt die Ausbreitungskinetik des Biofilms fördern, während Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Faltenbildung des Biofilms begünstigen. Die auf Biofilm-Querschnitten beobachteten Falten erschienen auf Substraten mit hohem Wassergehalt stärker gebogen, während sie auf Substraten mit niedrigem Wassergehalt eher vertikal verliefen. Sowohl die feuchte als auch die trockene Biomasse, die während der 4-tägigen Kultur akkumuliert wurde, war in Biofilmen, die auf Substraten mit hohem Wassergehalt gezüchtet wurden, größer, trotz der zusätzlichen Porosität innerhalb der Matrixschicht. Schließlich ergab die Mikroindentationsanalyse, dass Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Bildung von steiferen Biofilmen begünstigten. Diese Studie zeigt, dass E. coli-Biofilme auf den Wassergehalt ihres Substrats reagieren, was für die Abstimmung ihrer Materialeigenschaften im Hinblick auf weitere Anwendungen genutzt werden könnte.
Die Materialeigenschaften von Biofilmen hängen außerdem von der Zusammensetzung und Struktur der Matrix aus extrazellulären Proteinen und Polysacchariden ab. Insbesondere wurde vermutet, dass E. coli-Biofilme aufgrund eines dichten Fasernetzwerks aus Amyloid-Curli und Phosphoethanolamin-modifizierter Cellulose eine gewebeähnliche Elastizität aufweisen. Um den Beitrag dieser Komponenten zu den entstehenden mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen zu verstehen, führten wir an Biofilmen, die aus Bakterien verschiedener Stämme gewachsen waren, Mikroeindrücke durch. Biofilme, die beide Hauptmatrixkomponenten enthalten, wiesen nicht nur eine höhere Trockenmasse, einen größeren Ausbreitungsdurchmesser und einen leicht verringerten Wassergehalt auf, sondern auch eine hohe Steifigkeit im Bereich von mehreren hundert kPa, ähnlich wie Biofilme, die nur Curli-Fasern enthalten. Das Fehlen von Amyloid-Curli-Fasern führt dagegen zu deutlich höheren Adhäsionsenergien und einem viskoelastischeren, flüssigkeitsähnlichen Materialverhalten. Die Kombination von Amyloid-Curli-Fasern und Phosphoethanolamin-modifizierten Cellulosefasern impliziert daher die Bildung eines Verbundmaterials, bei dem die Amyloid-Curli-Fasern den E. coli-Biofilmen Steifigkeit verleihen, während die Phosphoethanolamin-modifizierte Cellulose eher als Klebstoff wirkt. Diese Ergebnisse motivieren zu weiteren Studien mit gereinigten Versionen dieser Protein- und Polysaccharidkomponenten, um besser zu verstehen, wie ihre Interaktionen die Funktionen des Biofilms unterstützen. 
Alle drei Studien zeigen verschiedene Aspekte der Biofilm-Morphogenese, die miteinander verbunden sind. Die erste Arbeit zeigt den Zusammenhang zwischen ungleichmäßigen biologischen Aktivitäten und dem Auftreten mechanischer Instabilitäten im Biofilm auf. Die zweite Arbeit bestätigt die Anpassungsfähigkeit der Morphogenese des E. coli-Biofilms und seiner mechanischen Eigenschaften an einen Umweltreiz, nämlich Wasser. Die letzte Studie schließlich zeigt die komplementäre Rolle der einzelnen Matrixkomponenten bei der Bildung eines stabilen Biofilmmaterials, das nicht nur komplexe Morphologien bildet, sondern auch als Schutzschild für die darin enthaltenen Bakterien fungiert. Unsere experimentellen Erkenntnisse über die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften können weitere Auswirkungen auf grundlegende und angewandte Biofilm-Forschungsbereiche haben.
KW  - biofilm
KW  - E. coli
KW  - living materials
KW  - mechanobiology
KW  - E. coli
KW  - Biofilm
KW  - lebende Materialien
KW  - Mechanobiologie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Jianrui
T1  - Completely water-based emulsions as compartmentalized systems via pickering stabilization
N2  - Completely water-based systems are of interest for the development of novel material for various reasons: On one hand, they provide benign environment for biological systems and on the other hand they facilitate effective molecular transport in a membrane-free environment. In order to investigate the general potential of aqueous two-phase systems (ATPSs) for biomaterials and compartmentalized systems, various solid particles were applied to stabilize all-aqueous emulsion droplets. The target ATPS to be investigated should be prepared via mixing of two aqueous solutions of water-soluble polymers, which turn biphasic when exceeding a critical polymer concentration. Hydrophilic polymers with a wide range of molar mass such as dextran/poly(ethylene glycol) (PEG) can therefore be applied. Solid particles adsorbed at the interfaces can be exceptionally efficient stabilizers forming so-called Pickering emulsions, and nanoparticles can bridge the correlation length of polymer solutions and are thereby the best option for water-in-water emulsions.
The first approach towards the investigation of ATPS was conducted with all aqueous dextran-PEG emulsions in the presence of poly(dopamine) particles (PDP) in Chapter 4. The water-in-water emulsions were formed with a PEG/dextran system via utilizing PDP as stabilizers. Studies of the formed emulsions were performed via laser scanning confocal microscope (CLSM), optical microscope (OM), cryo-scanning electron microscope (SEM) and tensiometry. The stable emulsions (at least 16 weeks) were demulsified easily via dilution or surfactant addition. Furthermore, the solid PDP at the water-water interface were crosslinked in order to inhibit demulsification of the Pickering emulsion. Transmission electron microscope (TEM) and scanning electron microscope (SEM) were used to visualize the morphology of PDP before and after crosslinking. PDP stabilized water-in-water emulsions were utilized in the following Chapter 5 to form supramolecular compartmentalized hydrogels. Here, hydrogels were prepared in pre-formed water-in-water emulsions and gelled via α-cyclodextrin-PEG (α-CD-PEG) inclusion complex formation. Studies of the formed complexes were performed via X-ray powder diffraction (XRD) and the mechanical properties of the hydrogels were measured with oscillatory shear rheology. In order to verify the compartmentalized state and its triggered decomposition, hydrogels and emulsions were assessed via OM, SEM and CLSM. The last chapter broadens the investigations from the previous two systems by utilizing various carbon nitrides (CN) as different stabilizers in ATPS. CN introduces another way to trigger demulsification, namely irradiation with visible light. Therefore, emulsification and demulsification with various triggers were probed. The investigated all aqueous multi-phase systems will act as model for future fabrication of biocompatible materials, cell micropatterning as well as separation of compartmentalized systems.
N2  - Komplett wässrige Systeme sind aus vielerlei Hinsicht interessant für die Entwicklung neuer Materialien: Zum Einen eignet sich die wässrige Umgebung für Anwendung in biologischen System und zum Anderen ermöglicht eine Membran-freie Umgebung erleichterten Stofftransport. In dieser Arbeit wurden verschiedene Partikeltypen zur Stabilisierung von Wasser-in-Wasser Emulsionströpfchen eingesetzt, um das Potenzial von ATPSs (Aqueous two-phase systems (DE: Wässrige Zweiphasensysteme)) für Biomaterialien und kompartmentalisierte Systeme zu untersuchen. 
Das zu untersuchende ATPS sollte durch Mischen von zwei wässrigen Lösungen wasserlöslicher Polymere hergestellt werden und bei Überschreiten einer kritischen Polymerkonzentration zweiphasig werden. Als hydrophile Polymer wurden Dextran und Poly(ethylenglycol) (PEG) für die Bildung des ATPS angewendet. Die Grenzfläche zwischen den beiden Phasen in ATPSs ist undefiniert und erstreckt sich über einen Bereich, deshalb müssen Partikel für die Stabilisierung des ATPS eingesetzt werden. Die an den Grenzflächen adsorbierten Partikel können effizient als Stabilisatoren fungieren und die sogenannten Pickering-Emulsionen bilden.
Der erste Ansatz der Untersuchung von Wasser-in-Wasser Emulsionen wurde mit dem Dextran-PEG-System in Gegenwart von Poly(dopamin)-Partikeln (PDP) als Stabilisatoren durchgeführt. Die bis zu 16 Wochen stabilen Emulsionen konnten mittels Verdünnung oder Tensidzugabe gebrochen werden. Weiterhin wurde die stabilisierenden PDP vernetzt, um eine Deemulgierung der Pickering-Emulsion zu verhindern. Des Weiteren wurden PDP stabiliserte Emulsionen verwednet, um supramolekulare kompartmentalisierte Hydrogele herzustellen. Hier wurden Hydrogele in vorgeformten Wasser-in-Wasser-Emulsionen hergestellt und über die Bildung des α-Cyclodextrin-PEG Komplexes geliert. Die gebildeten Komplexe wurden mittels XRD erforscht und die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele mit Rheologie gemessen. Zuletzt wurde die Forschung der zwei vorherigen erwähnten Systemen erweitert, indem verschiedene Kohlenstoffnitride (CN) als Stabilisatoren in ATPS verwendet wurden. Der Einsatz von CN ermöglichte dabei einen weiteren Stimulus zur Deemulgierung, nämlich sichtbares Licht. So wurden Emulgierung und Deemulgierung mit verschiedenen äußeren Reizen untersucht. Die verschiedenen Wasser-in-Wasser Emulsionen werden ein Modell für die zukünftige Herstellung biokompatibler Materialien, die örtlche Zellstrukturierung sowie die Trennung von Kompartimentsystemen liefern.
T2  - Vollständig wasserbasierte Pickeringemulsionen als Kompartimentsysteme
KW  - emulsion
KW  - water-in-water
KW  - ATPS
KW  - Emulsionen
KW  - Wasser-in-Wasser
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476542
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Baichen
T1  - Dissection of phloem transport in cucurbitaceae by metabolomic analysis
T1  - Analyse des Phloemtransports bei Cucurbitaceae mittels Metabolomics
N2  - This thesis aimed to investigate several fundamental and perplexing questions relating to the phloem loading and transport mechanisms of Cucurbita maxima, by combining metabolomic analysis with cell biological techniques. This putative symplastic loading species has long been used for experiments on phloem anatomy, phloem biochemistry, phloem transport physiology and phloem signalling. Symplastic loading species have been proposed to use a polymer trapping mechanism to accumulate RFO (raffinose family oligosaccharides) sugars to build up high osmotic pressure in minor veins which sustains a concentration gradient that drives mass flow. However, extensive evidence indicating a low sugar concentration in their phloem exudates is a long-known problem that conflicts with this hypothesis. Previous metabolomic analysis shows the concentration of many small molecules in phloem exudates is higher than that of leaf tissues, which indicates an active apoplastic loading step. Therefore, in the view of the phloem metabolome, a symplastic loading mechanism cannot explain how small molecules other than RFO sugars are loaded into phloem.  Most studies of phloem physiology using cucurbits have neglected the possible functions of vascular architecture in phloem transport. It is well known that there are two phloem systems in cucurbits with distinctly different anatomical features: central phloem and extrafascicular phloem. However, mistaken conclusions on sources of cucurbit phloem exudation from previous reports have hindered consideration of the idea that there may be important differences between these two phloem systems.  The major results are summarized as below: 1) O-linked glycans in C.maxima were structurally identified as beta-1,3 linked glucose polymers, and the composition of glycans in cucurbits was found to be species-specific. Inter-species grafting experiments proved that these glycans are phloem mobile and transported uni-directionally from scion to stock. 2) As indicated by stable isotopic labelling experiments, a considerable amount of carbon is incorporated into small metabolites in phloem exudates. However, the incorporation of carbon into RFO sugars is much faster than for other metabolites. 3) Both CO2 labelling experiments and comparative metabolomic analysis of phloem exudates and leaf tissues indicated that metabolic processes other than RFO sugar metabolism play an important role in cucurbit phloem physiology. 4) The underlying assumption that the central phloem of cucurbits continuously releases exudates after physical incision was proved wrong by rigorous experiments including direct observation by normal microscopy and combined multiple-microscopic methods. Errors in previous experimental confirmation of phloem exudation in cucurbits are critically discussed. 5) Extrafascicular phloem was proved to be functional, as indicated by phloem-mobile carboxyfluorescein tracer studies. Commissural sieve tubes interconnect phloem bundles into a complete super-symplastic network. 6) Extrafascicular phloem represents the main source of exudates following physical incision. The major transported metabolites by these extrafacicular phloem are non-sugar compounds including amino acids, O-glycans, amines. 7) Central phloem contains almost exclusively RFO sugars, the estimated amount of which is up to 1 to 2 molar. The major RFO sugar present in central phloem is stachyose.  8) Cucurbits utilize two structurally different phloem systems for transporting different group of metabolites (RFO sugars and non-RFO sugar compounds). This implies that cucurbits may use spatially separated loading mechanisms (apoplastic loading for extrafascicular phloem and symplastic loading for central phloem) for supply of nutrients to sinks.  9) Along the transport systems, RFO sugars were mainly distributed within central phloem tissues. There were only small amounts of RFO sugars present in xylem tissues (millimolar range) and trace amounts of RFO sugars in cortex and pith. The composition of small molecules in external central phloem is very different from that in internal central phloem. 10) Aggregated P-proteins were manually dissected from central phloem and analysed by both SDS-PAGE and mass spectrometry. Partial sequences of peptides were obtained by QTOF de novo sequencing from trypsin digests of three SDS-PAGE bands. None of these partial sequences shows significant homology to known cucurbit phloem proteins or other plant proteins. This proves that these central phloem proteins are a completely new group of proteins different from those in extrafascicular phloem. The extensively analysed P-proteins reported in literature to date are therefore now shown to arise from extrafascicular phloem and not central phloem, and therefore do not appear to be involved in the occlusion processes in central phloem.
N2  - Phloem transportiert ein ausgedehntes Spektrum an Molekülen zwischen Pflanzenorganen, um Wachstum und Entwicklung zu koordinieren. Folglich ist eine umfassende und unvoreingenommene Metabolom-Analyse notwendig, um unser Verständnis über den Transport von Stoffwechselprodukten sowie über Phloemtransport zu vertiefen. Phloemexsudate von Kürbispflanzen werden unter Verwendung der Metabolom-Analyse analysiert. Bei diesen Pflanzen wird angenommen, dass sie symplastische Beladungswege verwenden, um Photoassmilate als Ausgangsschritt des Phloemtransportes zu konzentrieren. Zwei neue Familien Callose-verwandter Substanzen, 1,3-Overknüpfte Glycane, sowie eine Reihe anderer kleinerer Metabolite werden in den Phloemexsudaten detektiert. Metabolom-Daten und physiologische Experimente widersprechen früher berichtetem Verständnis des Phloemexsudationsprozesses in Kürbispflanzen. Folglich bestätigt sich der Phloemexsudationsprozeß durch Kombination unterschiedlicher mikroskopischer Techniken. Kürbispflanzen besitzen zwei Phloemsysteme mit eindeutigen anatomischen Eigenschaften. Es zeigt sich, daß Phloemexsudate in Kürbissen hauptsächlich vom extrafaszikulären Phloem, nicht vom zentralen Phloem, stammen. In den letzten Jahrzehnten wurde gewöhnlich mißverstanden, daß Phloemexsudate vom zentralen Phloem stammen. Die eindeutigen metabolischen Profile der unterschiedlichen Phloemsysteme, die durch Metabolom-Analysen in der räumlichen Auflösung beobachtet werden, bestätigen die unterschiedlichen physiologischen Funktionen der zwei unterschiedlichen Phloemsysteme: das zentrale Phloem transportiert hauptsächlich Zucker, während das extrafaszikuläre Phloem ein ausgedehntes Spektrum von Metaboliten transportiert. Es kann auch ein unterschiedliches metabolisches Profil kleiner Moleküle zwischen internem und externem zentralem Phloem beobachtet werden. Von Strukturproteinen des zentralen Phloems wurden auch Proben genommen und mittels Massenspektrometrie analysiert. Diese Proteine erweisen sich als neuartige Proteine, die sich zu denen im extrafaszikulären Phloem unterscheiden. Dies bestätigt ferner den Funktionsunterschied der unterschiedlichen Phloemsysteme in Kürbispflanzen. Basierend auf diesen neuartigen Entdeckungen des Phloem-Metaboloms und dem vorhergehenden Wissen über den Phloemtransport in Kürbispflanzen, wird ein neues Modell vorgeschlagen, um den Mechanismus des Phloemtransports in der symplastischen Beladung zu verstehen.
KW  - phloem
KW  - metabolomics
KW  - cucurbits
KW  - phloem proteins
KW  - phloem
KW  - symplastic loading
KW  - metabolomic analysis
KW  - p-proteins
KW  - phloem architecture
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6644
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zemella, Anne
T1  - Fluoreszenzmarkierung und Modifizierung von komplexen Proteinen in eukaryotischen zellfreien Systemen durch die Etablierung von orthogonalen tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paaren
T1  - Fluorescent labeling and modification of complex proteins in eukaryotic cell-free systems by establishing orthogonal tRNA/aminoacyl-tRNA-synthetase pairs
N2  - Die funktionelle Charakterisierung von therapeutisch relevanten Proteinen kann bereits durch die Bereitstellung des Zielproteins in adäquaten Mengen limitierend sein. Dies trifft besonders auf Membranproteine zu, die aufgrund von zytotoxischen Effekten auf die Produktionszelllinie und der Tendenz Aggregate zu bilden, in niedrigen Ausbeuten an aktivem Protein resultieren können. Der lebende Organismus kann durch die Verwendung von translationsaktiven Zelllysaten umgangen werden- die Grundlage der zellfreien Proteinsynthese. Zu Beginn der Arbeit wurde die ATP-abhängige Translation eines Lysates auf der Basis von kultivierten Insektenzellen (Sf21) analysiert. Für diesen Zweck wurde ein ATP-bindendes Aptamer eingesetzt, durch welches die Translation der Nanoluziferase reguliert werden konnte. Durch die dargestellte Applizierung von Aptameren, könnten diese zukünftig in zellfreien Systemen für die Visualisierung der Transkription und Translation eingesetzt werden, wodurch zum Beispiel komplexe Prozesse validiert werden können. 
Neben der reinen Proteinherstellung können Faktoren wie posttranslationale Modifikationen sowie eine Integration in eine lipidische Membran essentiell für die Funktionalität des Membranproteins sein. Im zweiten Abschnitt konnte, im zellfreien Sf21-System, für den G-Protein-gekoppelten Rezeptor Endothelin B sowohl eine Integration in die endogen vorhandenen Endoplasmatisch Retikulum-basierten Membranstrukturen als auch Glykosylierungen, identifiziert werden. 
Auf der Grundlage der erfolgreichen Synthese des ET-B-Rezeptors wurden verschiedene Methoden zur Fluoreszenzmarkierung des Adenosin-Rezeptors A2a (Adora2a) angewandt und optimiert. Im dritten Abschnitt wurde der Adora2a mit Hilfe einer vorbeladenen tRNA, welche an eine fluoreszierende Aminosäure gekoppelt war, im zellfreien Chinesischen Zwerghamster Ovarien (CHO)-System markiert. Zusätzlich konnte durch den Einsatz eines modifizierten tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paares eine nicht-kanonische Aminosäure an Position eines integrierten Amber-Stopcodon in die Polypeptidkette eingebaut und die funktionelle Gruppe im Anschluss an einen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden. Aufgrund des offenen Charakters eignen sich zellfreie Proteinsynthesesysteme besonders für eine Integration von exogenen Komponenten in den Translationsprozess. Mit Hilfe der Fluoreszenzmarkierung wurde eine ligandvermittelte Konformationsänderung im Adora2a über einen Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer detektiert. Durch die Etablierung der Amber-Suppression wurde darüber hinaus das Hormon Erythropoetin pegyliert, wodurch Eigenschaften wie Stabilität und Halbwertszeit des Proteins verändert wurden. 
Zu guter Letzt wurde ein neues tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paar auf Basis der Methanosarcina mazei Pyrrolysin-Synthetase etabliert, um das Repertoire an nicht-kanonischen Aminosäuren und den damit verbundenen Kopplungsreaktionen zu erweitern. Zusammenfassend wurden die Potenziale zellfreier Systeme in Bezug auf der Herstellung von komplexen Membranproteinen und der Charakterisierung dieser durch die Einbringung einer positionsspezifischen Fluoreszenzmarkierung verdeutlicht, wodurch neue Möglichkeiten für die Analyse und Funktionalisierung von komplexen Proteinen geschaffen wurden.
N2  - The functional characterization of therapeutically relevant proteins can be limited due to the provision of the target protein in adequate amounts. In particular membrane proteins belong to the so called “difficult-to-express” proteins because of possible cytotoxic side effects and a susceptibility to aggregation. The living organism can be circumvented by using cell lysates – the basic for cell-free protein synthesis. In the beginning of the thesis the ATP-dependent translation process in a cell lysate based on cultured insect (Sf21) cells was analyzed. For this purpose the translation of a nanoluciferase was regulated by the addition of an ATP-binding aptamer. The demonstrated application of aptamers in cell-free systems might enable a visualization of transcription and translation and following a potential validation process for high-throughput syntheses.
In addition to the protein synthesis, factors such as posttranslational modifications and a correct integration into a lipid membrane are essential for the functionality of membrane proteins. Therefore, in the second part, integration of the G protein-coupled Endothelin receptor type B (ET-B) into the endogenous endoplasmic reticulum derived membranes and glycosylation were shown to be possible in a Sf21 cell-free system. 
Following to the successful synthesis of the ET-B receptor different fluorescent labeling strategies were applied to the adenosine receptor A2a (Adora2a). The first strategy applied precharged tRNAs, coupled to a fluorescently labeled amino acid, to the translation process in a Chinese Hamster Ovary cells (CHO) cell-free system. The second strategy utilized a modified tRNA/aminoacyl-tRNA-synthetase pair to incorporate a non-canonical amino acid at an integrated amber stop codon with a subsequently fluorescent labeling. The open character of cell-free systems enables a feasible integration of exogenous components into the translation process. The site-specific fluorescent labeling was the basis for the detection of a ligand-induced conformational change in the Adora2a by a bioluminescence resonance energy transfer. Additionally the amber suppression technique was transferred to the hormone Erythropoietin (EPO) to modify EPO´s stability and half-life period by coupling polyethylene glycol.
Last but not least a novel tRNA/aminoacyl-tRNA-synthetase pair based on the Methanosarcina mazei pyrrolysine synthetase was developed to further increase the repertoire of non-canonical amino acids and copper-free click reactions. Summarizing in the present thesis the potentials of cell-free protein systems related to the synthesis of “difficult-to-express” proteins and the characterization of these proteins with site-specific fluorescence labeling are depicted, thereby establishing new methods for the analysis and functionalization of complex proteins.
KW  - Zellfreie Proteinsynthese
KW  - nicht-kanonische Aminosäuren
KW  - Klick-Chemie
KW  - Fluoreszenzmarkierung
KW  - GPCRs
KW  - Proteinmodifizierung
KW  - cell-free protein synthesis
KW  - non-canonical amino acids
KW  - click chemistry
KW  - fluorescent labeling
KW  - GPCRs
KW  - protein modification
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442361
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zaupa, Alessandro
T1  - Physical crosslinking of gelatin : a supramolecular approach to biomaterials
T1  - Physikalische Quervernetzung von Gelatine : ein supramolekularer Zugang zu Biomaterialien
N2  - This work describes the realization of physically crosslinked networks based on gelatin by the introduction of functional groups enabling specific supramolecular interactions. Molecular models were developed in order to predict the material properties and permit to establish a knowledge-based approach to material design. The effect of additional supramolecular interactions with hydroxyapaptite was then studied in composite materials. The calculated properties are compared to experimental results to validate the models. The models are then further used for the study of physically crosslinked networks. Gelatin was functionalized with desaminotyrosine (DAT) and desaminotyrosyl-tyrosine (DATT) side groups, derived from the natural amino acid tyrosine. These group can potentially undergo to π-π and hydrogen bonding interactions also under physiological conditions. Molecular dynamics (MD) simulations were performed on models with 0.8 wt.-% or 25 wt.-% water content, using the second generation forcefield CFF91. The validation of the models was obtained by the comparison with specific experimental data such as, density, peptide conformational angles and X-ray scattering spectra. The models were then used to predict the supramolecular organization of the polymer chain, analyze the formation of physical netpoints and calculate the mechanical properties. An important finding of simulation was that with the increase of aromatic groups also the number of observed physical netpoints increased. The number of relatively stable physical netpoints, on average zero 0 for natural gelatin, increased to 1 and 6 for DAT and DATT functionalized gelatins respectively. A comparison with the Flory-Rehner model suggested reduced equilibrium swelling by factor 6 of the DATT-functionalized materials in water. The functionalized gelatins could be synthesized by chemoselective coupling of the free carboxylic acid groups of DAT and DATT to the free amino groups of gelatin. At 25 wt.-% water content, the simulated and experimentally determined elastic mechanical properties (e.g. Young Modulus) were both in the order of GPa and were not influenced by the degree of aromatic modification. The experimental equilibrium degree of swelling in water decreased with increasing the number of inserted aromatic functions (from 2800 vol.-% for pure gelatin to 300 vol.-% for the DATT modified gelatin), at the same time, Young’s modulus, elongation at break, and maximum tensile strength increased. It could be show that the functionalization with DAT and DATT influences the chain organization of gelatin based materials together with a controlled drying condition. Functionalization with DAT and DATT lead to a drastic reduction of helical renaturation, that could be more finely controlled by the applied drying conditions. The properties of the materials could then be influenced by application of two independent methods. Composite materials of DAT and DATT functionalized gelatins with hydroxyapatite (HAp) show a drastic reduction of swelling degree. In tensile tests and rheological measurements, the composites equilibrated in water had increased Young’s moduli (from 200 kPa up to 2 MPa) and tensile strength (from 57 kPa up to 1.1 MPa) compared to the natural polymer matrix without affecting the elongation at break. Furthermore, an increased thermal stability from 40 °C to 85 °C of the networks could be demonstrated. The differences of the behaviour of the functionalized gelatins to pure gelatin as matrix suggested an additional stabilizing bond between the incorporated aromatic groups to the hydroxyapatite.
N2  - Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von durch spezifische physikalische Wechselwirkungen quervernetzten Gelatine-basierten Materialien. Dazu wurden zunächst Computermodelle entwickelt, mit denen Eigenschaften der Materialien vorhergesagt werden sollten, um so eine wissensbasierte Entwicklung zu ermöglichen, um dann die Ergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen und die Materialien und Modelle als Grundlage für weitere Entwicklungen zu nutzen. Gelatine wurde mit Desaminotyrosin (DAT) und Desaminotyrosyltyrosin (DATT) funktionalisiert, die sich von der natürlichen Aminosäure Tyrosin ableiten. Diese Gruppen können potentiell π-π Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen auch unter physiologischen Bedingungen eingehen. Es wurden Computersimulationen der Materialien mittels Moleküldynamik durchgeführt, wobei Modelle mit 0.8 Gew.-% und 25 Gew.-% Wassergehalt betrachtet wurden. Die Validierung der Modelle erfolgte durch Vergleich der errechneten mit experimentellen Daten wie z.B. der Dichte, Bindungswinkeln sowie Röntgenstreuungsspektren. Die Modelle wurden dann zur Vorhersage der molekularen Organisation der Polymerketten, Formierung physikalischer Netzpunkte und Berechnung der mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Die Funktionalisierung der Gelatine mit DAT bzw. DATT führten wie gewünscht zur Ausbildung physikalischer Netzpunkte durch π-π Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken¬bindungen. Ein Schlüsselergebnis der Simulationen war, dass mit zunehmender Zahl an aromatischen Gruppen auch eine Zunahme der physikalischen Netzpunkte beobachtet werden konnte. Die funktionalisierten Gelatinen konnten durch chemoselektive Reaktion der Aminogruppen der Gelatine mit den freien Carboxylgruppen von DAT und DATT hergestellt werden. Materialien mit 25 Gew.-% Wassergehalt hatten in der Simulation und im Experiment mechanische Eigenschaften derselben Größenordnung (z.B. E-Moduln im unteren GPa-Bereich). Der Quellungsgrad der Materialien im Experiment nahm mit zunehmender Zahl an aromatische Gruppen ab (von 2800 Vol.-% auf 300 Vol.-%), wobei der Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung sowie die Zugfestigkeit zunahmen. Die Funktionalisierung der Gelatine ist eine chemische Methode, um die Kettenanordnung auf molekularer Ebene zu beeinflussen, während die genaue Kontrolle der Trocknungs¬bedinguungen von Gelatine-basierten Materialien eine physikalische Methode mit demselben Ziel ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Funktionalisierung von Gelatine mit DAT oder DATT zu einer stark verminderten Helixausbildungstendenz, die jedoch durch Variation der Trocknunsgbedingungen noch fein abgestimmt werden konnte. Somit konnten die mechanischen Eigenschaften von Filmen aus funktionlisierter Gelatine mit zwei unabhängigen Methoden eingestellt werden. Komposite der mit DAT oder DATT funktionalisierten Gelatine und Hydroxyapatit (HAp) zeigten deutlich verringerter Quellung. In Zugdehnungsexperimenten und rheologischen Untersuchungen zeigten die Komposite im Gleichgewichtsquellungszustand erhöhte Elastizitätsmoduln (von 200 kPa auf bis zu 2 MPa) und Zugfestigkeit (von 57 kPa auf bis zu 1.1 MPa). Darüber hinaus konnte die Übergangstemperatur Tc deutlich gesteigert werden (von ca. 40 °C auf > 85 °C). Dieses Verhalten ließ sich auf stabilisierende Bindungen zwischen den aromatische Gruppen und dem HAp zurückführen.
KW  - Physikalische Quervernetzung
KW  - Supramolekularen Wechselwirkung
KW  - Molekulare Modellierung
KW  - Biomaterialien
KW  - Gelatine
KW  - Komposite
KW  - Hydroxyapatit
KW  - Physical Network
KW  - Supramolecular Interaction
KW  - Molecular modeling
KW  - Biomaterial
KW  - Gelatin
KW  - Composite
KW  - Hydroxyapatite
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52888
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yildiz, Tugba
T1  - Dissecting the role of the TusA protein for cell functionality and FtsZ ring assembly in Escherichia coli
T1  - Entschlüsselung der Rolle des TusA-Proteins für die Zellfunktionalität und FtsZ-Ringbildung in Escherichia coli
N2  - In this work, the role of the TusA protein was investigated for the cell functionality and FtsZ ring assembly in Escherichia coli. TusA is the tRNA-2-thiouridine synthase that acts as a sulfur transferase in tRNA thiolation for the formation of 2-thiouridine at the position 34 (wobble base) of tRNALys, tRNAGlu and tRNAGln. It binds the persulfide form of sulfur and transfers it to further proteins during mnm5s2U tRNA modification at wobble position and for Moco biosynthesis. With this thiomodification of tRNA, the ribosome binding is more efficient and frameshifting is averted during the protein translation. Previous studies have revealed an essential role of TusA in bacterial cell physiology since deletion of the tusA gene resulted in retarded growth and filamentous cells during the exponential growth phase in a rich medium which suddenly disappeared during the stationary phase. This indicates a problem in the cell division process. Therefore the focus of this work was to investigate the role of TusA for cell functionality and FtsZ ring formation and thus the cell separation.

The reason behind the filamentous growth of the tusA mutant strain was investigated by growth and morphological analyses. ΔtusA cells showed a retarded growth during the exponential phase compared to the WT strain. Also, morphological analysis of ΔtusA cells confirmed the filamentous cell shape. The growth and cell division defects in ΔtusA indicated a defect in FtsZ protein as a key player of cell division. The microscopic investigation revealed that filamentous ΔtusA cells possessed multiple DNA parts arranged next to each other. This suggested that although the DNA replication occurred correctly, there was a defect in the step where FtsZ should act; probably FtsZ is unable to assemble to the ring structure or the assembled ring is not able to constrict. All tested mutant strains (ΔtusD, ΔtusE and ΔmnmA) involved in the mnm5s2U34 tRNA modification pathway shared the similar retarded growth and filamentous cell shape like ΔtusA strain. Thus, the cell division defect arises from a defect in mnm5s2U34 tRNA thiolation. 

Since the FtsZ ring formation was supposed to be defective in filaments, a possible intracellular interaction of TusA and FtsZ was examined by fluorescent (EGFP and mCherry) fusion proteins expression and FRET. FtsZ expressing tusA mutant (DE3) cells showed a red mCherry signal at the cell poles, indicating that FtsZ is still in the assembling phase. Interestingly, the cellular region of EGFP-TusA fusion protein expressed in ΔtusA (DE3) was conspicuous; the EGFP signal was spread throughout the whole cell and, in addition, a slight accumulation of the EGFP-TusA fluorescence was detectable at the cell poles, the same part of the cell as for mCherry-FtsZ. Thus, this strongly suggested an interaction of TusA and FtsZ. 

Furthermore, the cellular FtsZ and Fis concentrations, and their change during different growth phases were determined via immunoblotting. All tested deletion strains of mnm5s2U34 tRNA modification show high cellular FtsZ and Fis levels in the exponential phase, shifting to the later growth phases. This shift reflects the retarded growth, whereby the deletion strains reach later the exponential phase. Conclusively, the growth and cell division defect, and thus the formation of filaments, is most likely caused by changes in the cellular FtsZ and Fis concentrations. 

Finally, the translation efficiencies of certain proteins (RpoS, Fur, Fis and mFis) in tusA mutant and in additional gene deletion strains were studied whether they were affected by using unmodified U34 tRNAs of Lys, Glu and Gln. The translation efficiency is decreased in mnm5s2U34 tRNA modification-impaired strains in addition to their existing growth and cell division defect due to the elimination of these three amino acids. Finally, these results confirm and reinforce the importance of Lys, Glu and Gln and the mnm5s2U34 tRNA thiolation for efficient protein translation. Thus, these findings verify that the translation of fur, fis and rpoS is regulated by mnm5s2U34 tRNA modifications, which is growth phase-dependent.

In total, this work showed the importance of the role of TusA for bacterial cell functionality and physiology. The deletion of the tusA gene disrupted a complex regulatory network within the cell, that most influenced by the decreased translation of Fis and RpoS, caused by the absence of mnm5s2U34 tRNA modifications. The disruption of RpoS and Fis cellular network influences in turn the cellular FtsZ level in the early exponential phase. Finally, the reduced FtsZ concentration leads to elongated, filamentous E. coli cells, which are unable to divide.
N2  - In dieser Arbeit wurde die Rolle des TusA-Proteins für die Zellfunktionalität und FtsZ-Ringbildung in Escherichia coli untersucht. Bei TusA handelt es sich um die tRNA-2-Thiouridine-Synthase, die als Schwefeltransferase bei der tRNA-Thiolierung zur Bildung von 2-Thiouridin an der Position 34 (Wobble-Base) von tRNALys, tRNAGlu und tRNAGln dient. Dieses Protein bindet das Schwefelatom als Persulfid und überträgt dieses bei der mnm5s2U tRNA-Modifikation an der Wobble-Position und der Molybdän-Cofaktor (Moco)-Biosynthese auf weitere Proteine. Durch diese Thiomodifikation der tRNA wird eine effizientere Bindung des Ribosoms erreicht und zudem eine Verschiebung des Leserasters während der Proteintranslation verhindert. Frühere Studien haben eine essenzielle Rolle für TusA in der bakteriellen Zellphysiologie gezeigt: die Deletion des tusA-Gens führte zu einem verlangsamten Wachstum und filamentösen (fadenförmigen) Zellen als WT-Zellen während der exponentiellen Wachstumsphase in einem reichhaltigen Medium. In der stationären Phase waren diese Filamente hingegen nicht mehr zu beobachten, was auf einen Defekt während der Zellteilung hindeutete. Ziel dieser Arbeit war es daher die Rolle des TusA-Proteins für die Zellfunktionalität und FtsZ-Ringbildung zu analysieren.

Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurde die Ursache für das filamentöse Wachstum der tusA-Mutante untersucht. Dafür wurden Wachstums- und Morphologieanalysen durchgeführt. Die ΔtusA-Zellen zeigten im Vergleich zum WT-Stamm ein verzögertes Wachstum in der exponentiellen Phase. Die filamentöse Zellform der ΔtusA-Zellen wurde ebenfalls durch die Analyse der Zellmorphologie bestätigt. Demnach deutete das Wachstums- und Zellteilungsproblem von ΔtusA auf einen Defekt des FtsZ-Proteins hin, das eine Schlüsselrolle bei der Zellteilung besitzt. Anhand von mikroskopischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die filamentöse ΔtusA-Zellen mehrere nebeneinander angeordnete DNA-Abschnitte besaßen. Dies ließ die Vermutung zu, dass trotz korrekt verlaufender DNA-Replikation, ein Defekt in dem Schritt, in dem FtsZ einsetzen sollte, vorliegt. Folglich scheint FtsZ sich nicht zur Ringstruktur anordnen zu können. Denkbar wäre auch, dass der zusammengesetzte Ring nicht in der Lage ist zu kontrahieren. Alle getesteten Mutantenstämme (ΔtusD, ΔtusE und ΔmnmA), die an der mnm5s2U34-Modifikation beteiligt sind, zeigten ein ähnlich verzögertes Wachstum und eine ähnliche filamentöse Zellform wie der ΔtusA-Stamm. Somit ist der Zellteilungsdefekt auf einen Defekt in der mnm5s2U34-tRNA-Thiolierung zurückzuführen. 

Des Weiteren wurde eine mögliche intrazelluläre Interaktion von TusA und FtsZ anhand der Expression von fluoreszierender (EGFP und mCherry) Fusionsproteine und FRET-Analysen überprüft, da die Bildung des FtsZ-Rings in den Filamenten defekt zu sein scheint. Für FtsZ-exprimierende tusA (DE3)-Zellen wurden rote mCherry-Signale an den Zellpolen detektiert, was auf das sich noch assemblierende FtsZ hindeutete. Interessanterweise war die zelluläre Region des EGFP-TusA Signals, das in ΔtusA (DE3) exprimiert wurde, überlappend mit dem von mCherry-FtsZ. Das EGFP-Signal zeigte eine Verteilung über die gesamte Zelle, wobei noch zusätzlich eine leichte Akkumulation der EGFP-TusA-Fluoreszenz an den Zellpolen (wie bei mCherry-FtsZ) festgestellt wurde. Somit deutet dies auf eine Interaktion zwischen TusA und FtsZ hin.

Zusätzlich wurden die FtsZ- und Fis-Konzentrationen und deren Änderung während der unterschiedlichen Wachstumsphasen anhand von Immunoblot-Analysen ermittelt. Alle getesteten Deletionsstämme der mnm5s2U34-tRNA-Modifikation zeigten hohe zelluläre FtsZ- und Fis-Mengen in der exponentiellen Phase, die in die späteren Wachstumsphasen verschoben sind. Diese Verschiebung spiegelt das verlangsamte Wachstum wider, wodurch die Deletionsstämme später die exponentielle Phase erreichen. Demzufolge ist anzunehmen, dass der Wachstums- und Zellteilungsdefekt und daraus die Bildung von Filamenten durch Veränderungen der zellulären FtsZ- und Fis-Konzentrationen verursacht werden.

Abschließend wurde in dieser Arbeit  mittels Durchflusszytometrie die Translationseffizienz bestimmter Proteine (RpoS, Fur, Fis und mFis) in  ΔtusA und zusätzlichen Gendeletionsstämmen untersucht. Insbesondere sollte gezeigt werden, ob die Translation der Proteine durch die Verwendung von unmodifizierten U34-tRNAs für Lys, Glu und Gln beeinträchtigt wird. Somit ist die Translationseffizienz in den Stämmen mit beeinträchtigter mnm5s2U34-tRNA-Modifikation verringert, was zusätzlich zu ihren bereits bestehenden Wachstums- und Zellteilungsdefekten aufgrund der Eliminierung dieser drei Aminosäuren hinzukommt. Damit bestätigen und verstärken diese Ergebnisse die Bedeutung von Lys, Glu und Gln und der mnm5s2U34 tRNA-Thiolierung für eine effiziente Proteintranslation. Sie belegen auch, dass die Translation von fur, fis und rpoS durch die mnm5s2U34-tRNA-Modifikation reguliert wird, welche wachstumsphasenabhängig ist.

Im Résumé zeigen die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit neue Funktionen des TusA-Proteins für die Funktionalität und Physiologie von Bakterienzellen. Durch die Deletion des tusA-Gens wurde ein komplexes regulatorisches Netzwerk innerhalb der Zelle gestört, das vor allem durch die verringerte Translation von Fis und RpoS beeinflusst wird (die durch das Fehlen der mnm5s2U34-tRNA-Modifikation verursacht wird). Die Unterbrechung des zellulären RpoS- und Fis-Netzwerks beeinflusst wiederum die zelluläre FtsZ-Menge in der frühen exponentiellen Phase. Schließlich führt diese Verringerung der FtsZ-Konzentration zu filamentösen E. coli-Zellen, die sich nicht mehr teilen können.
KW  - tRNA thiomodifications
KW  - 5-methylaminomethyl-2-thiouridine
KW  - TusA
KW  - growth defect
KW  - cell division
KW  - FtsZ
KW  - FtsZ ring assemby
KW  - RpoS
KW  - Fis
KW  - translation efficiency
KW  - tRNA Thiomodifikation
KW  - 5-Methylaminomethyl-2-Thiouridin
KW  - TusA
KW  - Zellteilungsdefekt
KW  - Zellteilung
KW  - FtsZ-Ringbildung
KW  - Translationseffizienz
KW  - filaments
KW  - Filamente
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617135
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wunderlich, Kai
T1  - Entwicklung einer parallelen Mehrkomponentenanalyse von Antigen-Antikörper-Reaktionen in der Dopinganalyse
T1  - Development of a multiplex-assay for the analysis of antigen-antibody reactions in doping analysis
N2  - Weltweit streben Anti-Doping Institute danach jene Sportler zu überführen, welche sich unerlaubter Mittel oder Methoden bedienen. Die hierfür notwendigen Testsysteme werden kontinuierlich weiterentwickelt und neue Methoden aufgrund neuer Wirkstoffe der Pharmaindustrie etabliert. Gegenstand dieser Arbeit war es, eine parallele Mehrkomponentenanalyse auf Basis von Antigen-Antikörper Reaktionen zu entwickeln, bei dem es primär um Verringerung des benötigten Probevolumens und der Versuchszeit im Vergleich zu einem Standard Nachweis-Verfahren ging. Neben der Verwendung eines Multiplex Ansatzes und der Mikroarraytechnologie stellten ebenfalls die Genauigkeit aller Messparameter, die Stabilität des Versuchsaufbaus sowie die Performance über einen Einfach-Blind-Ansatz Herausforderungen dar. Die Anforderung an den Multiplex Ansatz, keine falschen Signale trotz ähnlicher Strukturen zu messen, konnte durch die gezielte Kombination von spezifischen Antikörpern realisiert werden. Hierfür wurden neben Kreuzreaktivitätstests auf dem Mikroarray parallel erfolgreich Western Blot Versuche durchgeführt. Jene Antikörper, welche in diesen Versuchen die gesetzten Anforderungen erfüllten, wurden für das Ermitteln der kleinsten nachweisbaren Konzentration verwendet. Über das Optimieren der Versuchsbedingungen konnte unter Verwendung von Tween in der Waschlösung sowohl auf Glas als auch auf Kunststoff die Hintergrundfluoreszenz reduziert und somit eine Steigerung des Signal/Hintergrundverhältnisses erreicht werden. In den Versuchen zu Ermittlung der Bestimmungsgrenze wurde für das humane Choriongonadotropin (hCG-i) eine Konzentration von 10 mU/ml, für dessen beta-Untereinheit (hCG-beta) eine Konzentration von 3,6 mU/ml und für das luteinisierende Hormon (LH) eine Konzentration von 10 mU/ml bestimmt. Den ermittelten Wert im Serum für das hCG-i entspricht dem von der Welt-Anti-Dopin-Agentur (WADA) geforderten Wert in Urin von 5 mU/ml. Neben der Ermittlung von Bestimmungsgrenzen wurden diese hinsichtlich auftretender Matrixeffekte in Serum und Blut gemessen. Wie aus den Versuchen zur Ermittlung von Kreuzreaktivitäten auf dem Mikroarray zu entnehmen ist, lassen sich das LH, das hCG-i und hCG-β ebenfalls in Serum und Blut messen. Die Durchführung einer Performance-Analyse über einem Einfach-Blind-Ansatz mit 130 Serum Proben, wurde ebenfalls über dieses System realisiert. Die ausgewerteten Proben wurden anschließend über eine Grenzwertoptimierungskurve analysiert und die diagnostische Spezifität ermittelt. Für die Messungen des LH konnte eine Sensitivität und Spezifität von 100% erreicht werden. Demnach wurden alle negativen und positiven Proben eindeutig interpretiert. Für das hCG-β konnte ebenfalls eine Spezifität von 100% und eine Sensitivität von 97% erreicht werden. Die hCG-i Proben wurden mit einer Spezifität von 100% und eine Sensitivität von 97,5% gemessen. Um den Nachweis zu erbringen, dass dieser Versuchsaufbau über mehrere Wochen stabile Signale bei Vermessen von identischen Proben liefert, wurde ein über zwölf Wochen angesetzter Stabilitätstest für alle Parameter erfolgreich in Serum und Blut durchgeführt. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erfolgreich eine Mehrkomponentenanalyse als Multiplex Ansatz auf einem Mikroarray entwickelt werden. Die Durchführung der Performance-Analyse und des Stabilitätstests zeigen bereits die mögliche Einsatzfähigkeit dieses Tests im Kontext einer Dopinganalyse.
N2  - Worldwide it is the goal of anti-doping institutes to have a fair competition in sports free of doping and to prevent the misuse of therapeutics for doping purposes. Therefore there is a need to continuously develop new rapid test methods for the analysis and identification of pharmaceutical substances.
Herein, the focus was to develop a multiplex assay on the basis of antigen antibody reactions in doping analysis. It was one goal to reduce the sample volume and the measurement time in comparison to standard methods (i.e. ELISA). Additional challenges were the application of a multiplex approach on the basis of microarray technology and to achieve a high sensitivity and precision.
The major challenge for a multiplex analysis is the specific detection of all analytes without producing false positive signals, even of those analytes with similar molecular structure. This was solved using a special combination of specific monoclonal antibodies. Therefore cross-reaction-tests on the microarray platform and western blot analysis were performed simultaneously. Subsequently, the relevant antibodies were used for the analysis of the minimum detectable concentration. Optimization of experimental conditions on glass and polymer surfaces (i.e. COP) led to a reduction of the background fluorescence, resulting in an increase of signal-to-background ratio. The measured limit of detection (LOD) for the human choriongonadotropin (hCG-i) was a concentration of 10 mU/ml, for the beta-subunit (hCG-beta) 3,6 mU/ml and for the luteinizing hormone (LH) 10 mU/ml. The value of hCG-i in serum correlates to the claimed threshold limit from the world anti doping agency (WADA) of 5 mU/ml in urine.
In parallel, matrix effects were analyzed in serum and whole blood. In a crossreactivity study it was shown, that it is possible to measure all three parameters in serum and whole blood independently.
The performance analysis of a blinded experiment with 130 serum samples was analyzed with receiver operating characteristic (ROC) and showed the diagnostic specificity. For LH the specificity and sensitivity was 100%, for hCG-beta a specificity of 100% and a sensitivity of 97% was measured. The samples for hCG-i were measured with a specificity of 100% and a sensitivity of 97,5%.
For the evidence of stability for several weeks of the experimental setup, a stability testing over a period of 12 weeks was performed. Identical samples gave stable signals over a period of 10 weeks in serum as well as in whole blood.
In summary the development of a multiplex assay for the analysis of antigen-antibody reactions in doping analysis for LH and hCG was successful and represents a proof of concept. Due to the promising results in the performance analysis and the stability tests it might be possible to insert that kind of multiplex assay as a test method for the anti doping analysis.
KW  - Mehrkomponentenanalyse
KW  - Multiplex
KW  - Doping
KW  - Schnelltest
KW  - hCG
KW  - multiplex assay
KW  - microarray
KW  - dopingtest
KW  - point-of-care
KW  - in-vitro diagnostic
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Woehlecke, Sandra
T1  - Das erweiterte Fachwissen für den schulischen Kontext als Leitlinie für eine additive fachliche Lehrveranstaltung im Lehramtsstudium Biologie
T1  - School-related content knowledge as a guideline for an additive subject-based course for preservice biology teachers
N2  - Das Fachwissen von Lehrkräften weist für die Ausprägung fachdidaktischer Expertise eine hohe Bedeutung auf. Welche Merkmale universitäre Lehrveranstaltungen aufweisen sollten, um Lehramtsstudierenden ein berufsspezifisches Fachwissen zu vermitteln, ist jedoch überwiegend noch unklar. 
Innerhalb des Projekts PSI-Potsdam wurde auf theoretischer Grundlage das fachübergreifende Modell des erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext entwickelt. Als Ansatz zur Verbesserung des Biologie-Lehramtsstudiums diente dieses Modell als Konzeptionsgrundlage für eine additive Lehrveranstaltung. Hierbei werden Lerngelegenheiten geboten, um das universitär erworbene Fachwissen über zellbiologische Inhalte auf schulische Kontexte anzuwenden, z.B. durch die Dekonstruktion und anschließende Rekonstruktion von schulischen Lerntexten. Die Wirkung des Seminars wurde in mehreren Zyklen im Forschungsformat der Fachdidaktischen Entwicklungsforschung beforscht. Eine der zentralen Forschungsfragen lautet dabei: Wie kann eine Lerngelegenheit für Lehramtsstudierende der Biologie gestaltet sein, um ein erweitertes Fachwissen für den schulischen Kontext für den zellbiologischen Themenbereich „Struktur und Funktion der Biomembran“ zu fördern?
Anhand fallübergreifender Analysen (n = 29) wird im empirischen Teil aufgezeigt, welche Einstellungen zum Lehramtsstudium in der Stichprobe bestehen. Als ein wichtiges Ergebnis kann hierbei herausgestellt werden, dass sich das Fachinteresse hinsichtlich schulisch und universitär vermittelter Inhalte bei den untersuchten Studierenden auffallend unterscheidet, wobei dem Schulwissen ein deutlich höheres Interesse entgegengebracht wird. Die Berufsrelevanz fachlicher Inhalte wird seitens der Studierenden häufig am Schulwissen festgemacht.
Innerhalb konkreter Einzelfallanalysen (n = 6) wird anhand von Lernpfaden dargestellt, wie sich über mehrere Design-Experimente hinweg fachliche Konzepte entwickelt haben. Bei der Beschreibung wird vor allem auf Schlüsselstellen und Hürden im Lernprozess fokussiert. Aus diesen Ergebnissen folgend werden vorgenommene Iterationen für die einzelnen Zyklen beschrieben, die ebenfalls anhand der iterativen Entwicklung der Design-Prinzipien dargelegt werden. 
Es konnte gezeigt werden, dass die Schlüsselstellen sehr individuell aufgrund der subjektiv fokussierten Inhalte zu Tage treten. Meist treten sie jedoch im Zusammenhang mit der Verknüpfung verschiedener fachlicher Konzepte oder durch kooperative Aufschlüsselungen von Konzepten auf. Fachliche Hürden konnten hingegen in Form von fachlich unangemessenen Vorstellungen fallübergreifend identifiziert werden. Dies betrifft unter anderem die Vorstellung der Biomembran als Wand, die mit den Vorstellungen einer Schutzfunktion und einer formgebenden Funktion der Biomembran einhergeht.
Weiterhin wird beleuchtet, wie das erweiterte Fachwissen für den schulischen Kontext zur Bearbeitung der Lernaufgaben angewendet wurde. Es hat sich gezeigt, dass sich bestimmte Lerngelegenheiten eigenen, um bestimmte Facetten des erweiterten Fachwissens zu fördern. 
Insgesamt scheint das Modell des erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext äußerst geeignet zu sein, um anhand der Facetten und deren Beschreibungen Lerngelegenheiten oder Gestaltungsprinzipien für diese zu konzipieren. Für das untersuchte Lehr-Lernarrangement haben sich kleinere Adaptationen des Modells als sinnvoll erwiesen. Hinsichtlich der Methodologie konnten Ableitungen für die Anwendung der fachdidaktischen Entwicklungsforschung für additive fachliche Lehrveranstaltungen dieser Art herausgestellt werden.
Um den Professionsbezug der fachwissenschaftlichen Anteile im Lehramtsstudium zu verbessern, ist der weitere Einbezug des erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext in die fachwissenschaftlichen Studienanteile überaus wünschenswert.
N2  - The content knowledge of teachers is of great importance for the development of pedagogical content knowledge and its application in teaching. However, the characteristics of university courses in order to provide pre-service biology teachers with job-specific content knowledge are still unclear. Within the project PSI-Potsdam a theory-based interdisciplinary model of school-related content knowledge (SRCK) was developed. This model served as a conceptual basis for an additive course within the biology teacher training curriculum. Learning opportunities are offered to apply the university-acquired subject matter knowledge to school contexts (e.g. through the deconstruction and subsequent reconstruction of texts for school purposes). The effects of the seminar, especially the learning processes, were observed in several cycles in the format of design research. One of the central research questions is: How can a learning opportunity for perspective Biology teachers be designed, to promote SRCK with regard to the topic “structure and function of the biomembrane"? 
Cross-case analyses (n = 29) show existing attitudes towards teacher training. As an important result, it can be emphasized, that the subject interest in school- and university-taught content differs strikingly among the students. School knowledge is shown a significantly higher interest. The professional relevance of subject-related content is often determined by a perceived proximity to school knowledge. 
Within concrete individual case analyses (n = 6), learning paths are used to show how subject-specific concepts have developed over several design experiments. The description focuses primarily on key points and obstacles in the learning process. Within this framework, iterations made for the individual cycles are described. It could be shown that the key points come to light very individually due to the focused content. In most cases, however, they occur in connection with the linking of different concepts or through cooperative explanations of concepts. Obstacles in the learning processes, on the other hand, could be identified across cases in the form of inappropriate ideas. This concerns, among other things, the idea of the biomembrane as a wall, which goes hand in hand with the ideas of a protective function and a shaping function of the biomembrane. Furthermore, a number of possibilities could be shown, how the SRCK was applied in the learning tasks. It was established that certain learning opportunities are appropriate to promote certain facets of SRCK. Overall, the model of SRCK seems to be extremely suitable in order to design learning opportunities. For the investigated teaching-learning arrangement, smaller adaptations of the model have proven as useful. 
In order to improve the professional relevance of the teacher training programme, the further inclusion of the SRCK in the subject-specific study components is highly desirable.
KW  - Professionswissen
KW  - Fachwissen
KW  - Studierendenvorstellungen
KW  - Biomembran
KW  - Erweitertes Fachwissen für den schulischen Kontext
KW  - professional competence
KW  - Design Research
KW  - Design Research
KW  - content knowledge
KW  - biomembrane
KW  - school-related content knowledge
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-521209
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TY  - THES
A1  - Witte, Jeannine
T1  - Rhabdomerorganisation und –morphogenese im Komplexauge von Drosophila
T1  - Rhabdomere organization and morphogenesis in the compound eye of Drosophila
N2  - Sehzellen von Insekten sind epitheliale Zellen mit einer charakteristischen, hochpolaren Morphologie und Organisation. Die molekularen Komponenten der Sehkaskade befinden sich im Rhabdomer, einem Saum dicht gepackter Mikrovilli entlang der Sehzelle. Bereits in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde beschrieben, dass die Mikrovilli entlang einer Sehzelle eine unterschiedliche Ausrichtung besitzen, oder in anderen Worten, die Rhabdomere entlang der Sehzell-Längsachse verdreht sind. So sind in den Sehzellen R1-R6 bei dipteren Fliegen (Calliphora, Drosophila) die Mikrovilli im distalen und proximalen Bereich eines Rhabdomers etwa rechtwinkelig zueinander angeordnet. Dieses Phänomen wird in der Fachliteratur als rhabdomere twisting bezeichnet und reduziert die Empfindlichkeit für polarisiertes Licht. Es wurde für das Drosophila-Auge gezeigt, dass diese strukturelle Asymmetrie der Sehzellen mit einer molekularen Asymmetrie in der Verteilung phosphotyrosinierter Proteine an die Stielmembran (einem nicht-mikrovillären Bereich der apikalen Plasmamembran) einhergeht. Zudem wurde gezeigt, dass die immuncytochemische Markierung mit anti-Phosphotyrosin (anti-PY) als lichtmikroskopischer Marker für das rhabdomere twisting verwendet werden kann. Bisher wurde hauptsächlich die physiologische Bedeutung der Rhabdomerverdrehung untersucht. Es ist wenig über die entwicklungs- und zellbiologischen Grundlagen bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Identität der phosphotyrosinierten Proteine an der Stielmembran zu klären und ihre funktionelle Bedeutung für die Entwicklung des rhabdomere twisting zu analysieren. Zudem sollte untersucht werden, welchen Einfluss die inneren Sehzellen R7 und R8 auf die Verdrehung der Rhabdomere von R1-R6 haben. Für die zwei Proteinkinasen Rolled (ERK) und Basket (JNK) vom Typ der Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPK) konnte ich zeigen, dass sie in ihrer aktivierten (= phosphorylierten) Form (pERK bzw. pJNK) eine asymmetrische Verteilung an der Stielmembran aufweisen vergleichbar der Markierung mit anti-PY. Weiterhin wurde diese asymmetrische Verteilung von pERK und pJNK ebenso wie die von PY erst kurz vor Schlupf der Fliegen (bei ca. 90% pupaler Entwicklung) etabliert. Durch Präinkubationsexperimente mit anti-PY wurde die Markierung mit anti-pERK bzw. anti-pJNK unterbunden. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass pERK und pJNK zu den Proteinen gehören, die von anti-PY an der Stielmembran erkannt werden. Da es sich bei ERK und JNK um Kinasen handelt, ist es naheliegend, dass diese an der Entwicklung des rhabdomere twisting beteiligt sein könnten. Diese Hypothese wurde durch die Analyse von hypermorphen (rl SEM)und hypomorphen (rl 1/rl 10a) Rolled-Mutanten überprüft. In der rl SEM-Mutante mit erhöhter Aktivität der Proteinkinase erfolgte die asymmetrische Positionierung von pERK an der Stielmembran sowie die Mikrovillikippung schon zu einem früheren Zeitpunkt in der pupalen Entwicklung. Im adulten Auge war die anti-PY-Markierung im distalen Bereich der Sehzellen intensiver sowie der Kippwinkel vergrößert. In der rl 1/rl 10a-Mutanten mit reduzierter Kinaseaktivität waren die anti-PY-Markierung und der Kippwinkel im proximalen Bereich der Sehzellen verringert. Die Proteinkinase ERK hat somit einen Einfluss auf die zeitliche Etablierung des rhabdomere twisting wie auch auf dessen Ausprägung im Adulttier. Die Rhabdomerverdrehung sowie die Änderung im anti-PY-Markierungsmuster erfolgen an den Sehzellen R1-R6 relativ abrupt auf halber Ommatidienlänge, dort wo das Rhabdomer von R7 endet und das von R8 beginnt. Es stellte sich deshalb die Frage, ob die Rhabdomerverdrehung an R1-R6 durch die Sehzelle R7 und/oder R8 beeinflusst wird. Um dieser Frage nachzugehen wurden Mutanten analysiert, denen die R7- oder die R8-Photorezeptoren bzw. R7 und R8 fehlten. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass bei Fehlen von R8 die Rhabdomerverdrehung bei R1-R6 nach keinen erkennbaren Regeln erfolgt. R8 ist somit Voraussetzung für die Etablierung der Rhabdomerverdrehung in R1-R6. Folgendes Modell wurde auf Grundlage dieses und weiterer Ergebnisse erarbeitet: Im dritten Larvenstadium rekrutiert R8 die Sehzellpaare R2/R5, R3/R4 und R1/R6. Dabei werden R1-R6 durch den Kontakt zu R8 „polarisiert“. Abschließend wird R7 durch R8 rekrutiert. Dies führt zu einer Fixierung der Polarität von R1-R6 durch R7. Die Ausführung der Mikrovillikippung anhand der festgelegten Polarität erfolgt in der späten Puppenphase. Die Proteinkinase ERK ist an diesem letzten Morphogeneseprozess beteiligt.
N2  - Visual cells of insects are epithelial cells with a characteristic morphology and organization. The molecular components of the signalling cascade are arranged in the rhabdomere, an array of densely packed microvilli along the side of the cell body. Already in the 70s of the last century it was described that microvilli point in different directions in various segments of the rhabdomere. Thus, in Dipteran flies (Calliphora, Drosophila) microvilli in the distal part of visual cells R1-R6 are nearly perpendicular to the microvilli in the proximal portion. This phenomenon is termed rhabdomere twisting and decreases the sensitivity of visual cells to polarized light. For Drosophila, structural asymmetry was shown to correlate with molecular asymmetry in the distribution of phosphotyrosinated proteins to the stalk (a non-microvillar region of the apical plasma membrane). Furthermore, this asymmetric distribution of antiphosphotyrosine (anti-PY) provides a light microscopic marker for rhabdomere twisting. So far little is known about the developmental and cell biological basis of rhabdomere twisting. Purpose of the present study was to identify the phosphotyrosinated proteins at the stalk und to analyse their functional relevance for the development of rhabdomere twisting. Moreover, influence of the inner visual cells R7 and R8 on rhabdomere twisting should be examined. Two protein kinases of the MAPK-type, Rolled (ERK) and Basket (JNK), show for their activated (= phosphorylated) forms (pERK and pJNK respectively) an asymmetric distribution to the stalk comparable to labelling with anti-PY. In addition, this asymmetric distribution of pERK, pJNK and also PY is established shortly before eclosion of the fly. Preincubation experiments with anti-PY abolished labelling with anti-pERK and anti-pJNK respectively. These results indicate that pERK and pJNK belong to the proteins on the stalk recognized by anti-PY. ERK and JNK are kinases and therefore are likely to be involved in the development of rhabdomere twisting. To test this hypothesis I analysed hypermorph (rl SEM) and hypomorph (rl 1/rl 10a) rolled mutants. In rl SEM mutants with increased kinase activity asymmetric positioning of pERK to the stalk and tilting of microvilli occurred earlier during pupal development. In the adult eye anti-PY labelling was more intensive in the distal part of the visual cells, and congruently the microvillar tilt angle was increased. In rl 1/rl 10a mutants with reduced kinase activity anti-PY labelling and microvillar tilt angle were reduced in the proximal part of visual cells. Hence, protein kinase ERK has an influence on developmental establishment of rhabdomere twisting and its specification in the adult eye. In R1-R6 rhabdomere twisting as well as changes in anti-PY labelling pattern take place within a narrow range halfway along the rhabdomere where the rhabdomere of R7 ceases and that of R8 begins. So the question arises whether rhabdomere twisting of R1-R6 is influenced by R7 and/or R8. To answer that question I analysed mutants that lack R7 or R8 or both visual cells. Most importantly absence of R8 leads to a disorganized rhabdomere twisting in R1-R6. Consequently R8 seems to be required for the establishment of rhabdomere twisting in R1-R6. Following working model was developed: in the third larval instar R8 recruits pairs of visual cells R2/R5, R3/R4 and R1/R6. In that process R1-R6 become „polarised“ by the contact to R8. Finally R7 is recruited by R8. That fixes polarity of R1-R6 by R7. The active tilting of the microvilli on the basis of the given polarity is carried out in late pupal development with the help of protein kinase ERK.
KW  - Komplexauge
KW  - Drosophila
KW  - Rhabdomerverdrehung
KW  - MAPK
KW  - compound eye
KW  - Drosophila
KW  - rhabdomere twisting
KW  - MAP kinase
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41847
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TY  - THES
A1  - Witt, Sandra
T1  - Die Rolle der DGDG Synthase DGD1 bei der Galaktolipid Synthese in den Hüllmembranen von Chloroplasten
T1  - The role of DGDG synthase DGD1 in galactolipid synthesis in the envelopes of chloroplasts
N2  - In den Chloroplasten von höheren Pflanzen sind die Galaktolipide Monogalaktosyldiacylglycerol (MGDG) und Digalaktosyldiacylglycerol (DGDG) die am weitesten verbreiteten Lipide. In dieser Forschungsarbeit wurde die Funktion der DGDG Synthase DGD1, und insbesondere die Funktion des N-terminalen Bereichs dieses Enzyms in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Die Überexpression des N-terminalen Bereichs von DGD1 in WT-Col2 resultierte in einem reduzierten Wachstum, welches sich jedoch von der dgd1-1 Mutante unterschied. Dies legte bereits nahe, dass die Expression von N-DGD1 einen negativen Einfluss auf das Wachstum hat. Durch Studien in einem heterologen E.coli Expressionssystem konnte diese These bestätigt werden. Zellen, die ausschließlich N-DGD1 zusammen mit einer MGD Synthase aus Gurke exprimierten, waren im Wachstum stark beeinträchtigt. Nicht nur der N-terminale Bereich von DGD1, auch der N-terminale Bereich von MGD1 besitzt eine Funktion als Transitpeptid und ist somit ein wichtiger Faktor zur korrekten Lokalisierung des MGD1 Proteins. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein Fusionskonstrukt aus N-MGD1 und DGD2 in die dgd1-1 Mutante zu transferieren und damit das reduzierte Wachstum zu komplementieren. Frühere Versuche, ein reduziertes dgd1-1 Wachstum mit DGD2 allein zu komplementieren, scheiterten. Somit gibt dies einen Hinweis darauf, dass N-MGD1 als Transitpeptid fungieren kann. Bindungsstudien zur Interaktion von DGD1 und N-DGD1 Protein zeigten, dass die polaren Lipide MGDG und DGDG in Wechselwirkung mit dem N-terminalen Bereich von DGD1 treten. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist nicht erforscht, wie der Transport von DGDG und MGDG zwischen den Hüllmembranen des Chloroplasten erfolgt. Die in dieser Arbeit angefertigen Bindungsstudien konnten Hinweise darauf geben, dass N-DGD1 als eine Art „Antiporter“ fungiert, um MGDG und DGDG zwischen den Hüllmembranen zu transportieren. Weiterhin wurden Bindungsstudien zur Erforschung von Interaktionen der Glykosyltransferasen DGD1, DGD2, MGD1, MGD2 und MGD3 angefertigt. Dabei wurden Wechselwirkungen zwischen den Glykosyltransferasen DGD1, DGD2 und MGD2 detektiert. Interessant ist, dass Hinweise auf eine Dimerbildung bestimmter Enzyme gefunden wurden, so für DGD1 und MGD2. Ein weiterer Ansatz zur Erforschung von Wechselwirkungen von DGD1 Protein mit bis jetzt unbekannten Proteinen war die Expression von DGD1-StrepIITag und DGD1-CTAPTag Fusionsproteinen in dgd1-1 Mutanten. Es wurden für beide Tags transgene Linien generiert, die im Wachstum komplementiert waren und wildtypähnliche Mengen an DGDG akkumulierten. Die Expression der verschiedenen Tags in den Pflanzen war sehr unterschiedlich, wobei der DGD1-CTAP-Tag am stärksten exprimiert war. Mit Pflanzenmaterial dieser Linien kann nun eine Aufreinigung des getaggten Proteins und eventueller Interaktionspartner erfolgen.
N2  - The two galactolipids monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) and digalactosyl-diacylglycerol (DGDG) constitute the bulk of membrane lipids in chloroplasts. They play a crucial role in organell development and are important for the functionality of photosynthetic complexes in thylakoids. Two DGDG synthases, DGD1 and DGD2, are found in Arabidopsis, and the two proteins localize to the chloroplast envelope membranes. The dgd1 mutant which contains only 10% of wild type amounts of DGDG shows a dwarf phenotype and reduced photosynthetic capacity. The DGD1 protein consists of two domains. While the C-terminal part is responsible for galactosyltransferase activity, no clear function can be attributed to the N-terminal extension. To study the function of the N-terminal part of DGD1 in chloroplast membrane lipid synthesis, translational fusion proteins harboring different DGDG synthase sequences were introduced into wild type and dgd1 mutant plants and analyzed for changes in lipid content and growth. The dgd1 mutant phenotype was complemented with a full-length DGD1 sequence, but not with DGD2. Interestingly, the chimeric fusion of the N-terminal part of DGD1 with DGD2 did complement the dgd1 growth and lipid deficiency. Over-expression of the N-terminal part of DGD1 in wild type Arabidopsis plants affected growth and resulted in alterations of leaf morphology. However, this phenotype was distinct from that observed for dgd1, because these transgenic plants contain normal amounts of galactolipids, and leaves are not yellowish. In conclusion, these data suggest that the N-terminal region of DGD1 might be important for galactolipid transport across the chloroplast envelope membranes towards the thylakoid membranes. Interaction studies between N-DGD1 Protein and different membrane lipids showed an interaction between N-DGD1 Protein and MGDG and DGDG. Till now not much is known about the transport mechanisms of DGDG and MGDG between the chloroplast envelopes. This work gave some indications, that the N-terminal part of DGD1 is involved in the transport of MGDG and DGDG between the chloroplast envelopes. Furthermore interaction studies were made for the glycosyltransferases DGD1, DGD2 MGD1, MGD2 and MGD3. Interactions between DGD1, DGD2 and MGD2 were observed. Another way for finding interacting proteins of DGD1 was the expression of a DGD1-CTAPTag fusion protein in the dgd1-1 mutant. These transgenic lines contained a high amount of DGD1-CTAPTag protein. With these plants its now possible to analyze interacting partners of DGD1 with help of Tandem Affinity Purification method.
KW  - Galaktolipide
KW  - DGD1
KW  - Lipidsynthese
KW  - Chloroplasten
KW  - galactolipids
KW  - DGD1
KW  - lipid synthesis
KW  - chloroplasts
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33447
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TY  - THES
A1  - Winck, Flavia Vischi
T1  - Nuclear proteomics and transcription factor profiling in Chlamydomonas reinhardtii
T1  - Nukleare Proteomics und Transkriptionsfaktoren : Profiling in Chlamydomonas reinhardtii
N2  - The transcriptional regulation of the cellular mechanisms involves many different components and different levels of control which together contribute to fine tune the response of cells to different environmental stimuli. In some responses, diverse signaling pathways can be controlled simultaneously. One of the most important cellular processes that seem to possess multiple levels of regulation is photosynthesis. A model organism for studying photosynthesis-related processes is the unicellular green algae Chlamydomonas reinhardtii, due to advantages related to culturing, genetic manipulation and availability of genome sequence. In the present study, we were interested in understanding the regulatory mechanisms underlying photosynthesis-related processes. To achieve this goal different molecular approaches were followed. In order to indentify protein transcriptional regulators we optimized a method for isolation of nuclei and performed nuclear proteome analysis using shotgun proteomics. This analysis permitted us to improve the genome annotation previously published and to discover conserved and enriched protein motifs among the nuclear proteins. In another approach, a quantitative RT-PCR platform was established for the analysis of gene expression of predicted transcription factor (TF) and other transcriptional regulator (TR) coding genes by transcript profiling. The gene expression profiles for more than one hundred genes were monitored in time series experiments under conditions of changes in light intensity (200 µE m-2 s-1 to 700 µE m-2 s-1), and changes in concentration of carbon dioxide (5% CO2 to 0.04% CO2). The results indicate that many TF and TR genes are regulated in both environmental conditions and groups of co-regulated genes were found. Our findings also suggest that some genes can be common intermediates of light and carbon responsive regulatory pathways. These approaches together gave us new insights about the regulation of photosynthesis and revealed new candidate regulatory genes, helping to decipher the gene regulatory networks in Chlamydomonas. Further experimental studies are necessary to clarify the function of the candidate regulatory genes and to elucidate how cells coordinately regulate the assimilation of carbon and light responses.
N2  - Pflanzen nutzen das Sonnenlicht um Substanzen, sogenannte Kohlenhydrate, zu synthetisieren. Diese können anschließend als Energielieferant für das eigene Wachstum genutzt werden. Der aufbauende Prozess wird als Photosynthese bezeichnet. Ein wichtiges Anliegen ist deshalb zu verstehen, wie Pflanzen äußere Einflüsse wahrnehmen und die Photosynthese dementsprechend regulieren. Ihre Zellen tragen diese Informationen in den Genen. Die Pflanzen nutzen aber in der Regel nicht alle ihre Gene gleichzeitig, die sie zur Anpassung an Umwelteinflüsse besitzen. Zu meist wird nur eine Teilfraktion der gesamten Information benötigt. Wir wollten der Frage nachgehen, welche Gene die Zellen für welche Situation regulieren. Im Zellkern gibt es Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, die spezifische Gene finden können und deren Transkription modulieren. Wenn ein Gen gebraucht wird, wird seine Information in andere Moleküle übersetzt (transkribiert), sogenannte Transkripte. Die Information dieser Transkripte wird benutzt um Proteine, Makromoleküle aus Aminsäuren, zu synthetisieren. Aus der Transkription eines Gens kann eine große Zahl des Transkripts entstehen. Es ist wahrscheinlich, dass ein Gen, dass gerade gebraucht wird, mehr Transkriptmoleküle hat als andere Gene. Da die Transkriptionsfaktoren mit der Transkription der Gene interferieren können, entwickelten wir in der vorliegenden Arbeit Strategien zur Identifikation dieser im Zellkern zu findenden Proteine mittels eines „Proteomics“-Ansatzes. Wir entwickelten weiterhin eine Strategie zur Identififikation von Transkripten Transkriptionsfaktor-codierender Gene in der Zelle und in welche Menge sie vorkommen. Dieser Ansatz wird als „Transcript-Profiling“ bezeichnet. Wir fanden Zellkern-lokalisierte Proteine, die als Signalmoleküle funktionieren könnten und Transkripte, die bei unterschiedlichen Umweltbedingungen in der Zelle vorhanden waren. Wir benutzten, die oben genannten Ansätze um die einzellige Grünalge Chlamydomonas zu untersuchen. Die Informationen, die wir erhielten, halfen zu verstehen welche Transkriptionsfaktoren notwendig sind, damit Chlamydomonas bei unterschiedlichen Umweltbedingungen, wie z.B. unterschiedliche Lichtintensitäten und unterschiedlicher Konzentration von Kohlenstoffdioxid, überlebt.
KW  - Proteomics
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - Pflanzen
KW  - Chlamydomonas
KW  - Transcriptomics
KW  - Proteomics
KW  - Transcription factors
KW  - Plants
KW  - Chlamydomonas
KW  - Transcriptomics
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53909
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TY  - THES
A1  - Wilhelm, Susann
T1  - Climate induced impacts on lake functioning in summer
T1  - Auswirkungen des Klimawandels auf Seen im Sommer
N2  - Es gibt bereits viele Hinweise dafür, dass Seen sehr sensibel auf die anthropogen verursachte Klimaerwärmung reagiert haben. Bis jetzt haben sich die Studien der Klimafolgenforschung hauptsächlichst auf die Auswirkungen der Erwärmung im Winter und Frühling konzentriert. Über den Einfluss der Klimaerwärmung auf Seen in den gemäßigten Breiten im Sommer ist weniger bekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit habe ich einige Faktoren, welche die Reaktion von Seen auf die Erwärmung im Sommer vermutlich stark mitbestimmt haben, untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf klimatisch induzierten Auswirkungen auf die thermische Charakteristik und die Phänologie und Abundanz des Planktons eines flachen und polymiktischen Sees (Müggelsee, Berlin). Zuerst wurde der Einfluss der Klimaerwärmung auf die Phänologie und Abundanz des Planktons in verschiedenen Jahreszeiten untersucht. Das schnellwachsende Phyto- und Zooplankton (Daphnia) im Frühjahr hat sich vorwiegend synchron vorverschoben, wohingegen Veränderungen des Sommerzooplanktons deutlich artspezifisch und nicht synchron waren. Die Phänologie oder Abundanz einiger Sommercopepoden hat sich entsprechend der individuellen thermischen Anforderungen innerhalb bestimmter Entwicklungsstufen, wie zum Beispiel der Emergenz von der Diapause im Frühling, verändert. Die Studie unterstreicht, dass nicht nur der Grad der Erwärmung, sondern auch dessen Zeitpunkt innerhalb des Jahres von großer ökologischer Bedeutung ist. Um die Auswirkungen des Klimawandels auf die thermischen Eigenschaften des Sees zu erforschen, habe ich die Langzeitentwicklung der täglichen epilimnischen Temperaturextrema während des Sommers untersucht. Durch diese Studie wurde zum ersten Mal für Seen gezeigt, dass die täglichen epilimnischen Minima (Nacht) stärker angestiegen sind als die Maxima (Tag), wodurch sich der tägliche epilimnische Temperaturbereich deutlich verringert hat. Diese Tag-Nacht-Asymmetrie in der epilimnischen Temperatur wurde durch eine erhöhte Emission von Langwellenstrahlung aus der Atmosphäre während der Nacht verursacht. Dies unterstreicht, dass nicht nur Erhöhungen der Lufttemperatur, sondern auch Änderungen anderer meteorologischer Variablen wie der Windgeschwindigkeit, der Luftfeuchte und der Bewölkung eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Seetemperatur im Hinblick auf weitere Klimaveränderungen spielen werden. Zudem wurde eine Kurzzeitanalyse zum Schichtungsverhalten des polymiktischen Sees durchgeführt, um die Häufigkeit und Dauer von Schichtungsereignissen und deren Einfluss auf den gelösten Sauerstoff, die gelösten Nährstoffe und das Phytoplankton zu untersuchen. Selbst während der längsten Schichtungsereignisse (Hitzewellen 2003 und 2006) unterschieden sich die Auswirkungen auf den See von denen, welche in flachen dimiktischen Seen während der kontinuierlichen Sommerschichtung auftreten. Die hypolimnische Temperatur war höher, was die Sauerstoffzehrung und die Akkumulation von gelösten Nährstoffen begünstigt hat. Die thermische Schichtung wird in Zukunft sehr wahrscheinlich zunehmen. Dies lässt darauf schließen, dass polymiktische Seen sehr anfällig gegenüber Änderungen im Hinblick auf projizierte Klimaveränderungen sein werden. Abschließend wurde eine Studie über Lang- und Kurzzeitveränderungen in der Entwicklung der planktischen Larven der Muschel Dreissena polymorpha durchgeführt, um den Einfluss der Veränderungen im thermischen und trophischen Regime des Sees zu analysieren. Die Klimaerwärmung und die Verringerung in der externen Nährstofffracht haben die Abundanz der Larven stark beeinflusst indem sie jeweils auf bestimmte Entwicklungsphasen dieser Art während der warmen Jahreszeiten gewirkt haben. Der Anstieg in der Abundanz und der Länge der Larven stand im Zusammenhang mit dem Rückgang der Nährstofffracht und der Veränderung der Phytoplanktonzusammensetzung. Die Hitzewellen in den Jahren 2003 und 2006 haben diesen positiven Effekt auf die Larvenabundanz jedoch durch ungünstige Sauerstoffkonzentrationen während der sehr langen Schichtung aufgehoben. Die Klimaerwärmung kann demzufolge entgegenwirkende Effekte in produktiven flachen Seen, in welchen die externe Nährstofffracht reduziert wurde, auslösen. Aus diesen Ergebnissen schließe ich, dass nicht nur die Art des Klimawandels und damit der Zeitpunkt der Erwärmung und das Auftreten von Extremen wie Hitzewellen, sondern auch standortspezifische Bedingungen wie Schichtungsverhalten und Trophiegrad entscheidende Faktoren sind, welche die Auswirkungen der Klimaerwärmung auf interne Seeprozesse im Sommer bestimmen. Somit sollte sich die weiterführende Klimafolgenforschung für Seen darauf konzentrieren, wie verschiedene Seetypen auf die komplexen Umweltveränderungen im Sommer reagieren, damit ein umfassenderes Verständnis über den Einfluss von anthropogen verursachten Veränderungen auf Seen der gemäßigten Breiten erreicht wird.
N2  - There is already strong evidence that temperate lakes have been highly vulnerable to human induced climate warming during the last century. Hitherto climate impact studies have mainly focussed on the impacts of the recent long-term warming in winter and spring and little is known on the influence of climate warming on temperate lakes in summer. In the present thesis, I studied some aspects, which may have been strongly involved in determining the response of a lake to climate warming in summer. Thereby I have focussed on climate induced impacts on the thermal characteristics and the phenology and abundance of summer plankton in a shallow polymictic lake (Müggelsee, Germany). First, the influence of climate warming on the phenology and abundance of the lake plankton was investigated across seasons. Fast-growing spring phytoplankton and zooplankton (Daphnia) advanced largely synchronously, whereas long-term changes in the phenology of slow-growing summer zooplankton were clearly species-specific and not synchronised. The phenology and/or abundance of several summer copepod species changed according to their individual thermal requirements at decisive developmental stages such as emergence from diapause in spring. The study emphasises that not only the degree of warming, but also its timing within the annual cycle is of great ecological importance. To analyse the impact of climate change on the thermal characteristics of the lake, I examined the long-term development of the daily epilimnetic temperature extrema during summer. The study demonstrated for the first time for lakes that the daily epilimnetic minima (during nighttime) have increased more rapidly than the daily epilimnetic maxima (during daytime), resulting in a distinct decrease in the daily epilimnetic temperature range. This day-night asymmetry in epilimnetic temperature was likely caused by an increased nighttime emission of long-wave radiation from the atmosphere. This underlines that not only increases in air temperature, but also changes in other meteorological variables such as wind speed, relative humidity and cloud cover may play an important role in determining the lake temperature with respect to further climate change. Furthermore, a short-term analysis on the mixing regime of the polymictic lake was conducted to examine the frequency and duration of stratification events and their impacts on dissolved oxygen, dissolved nutrients and summer phytoplankton. Even during the longest stratification events (heatwaves in 2003 and 2006) the thermal characteristics of the lake differed from those typically found in shallow dimictic lakes, which exhibit a continuous stratification during summer. Particularly, hypolimnetic temperatures were higher, favouring the depletion of oxygen and the accumulation of dissolved nutrient in the hypolimnion. Thermal stratification will be very likely amplified in the future, thus, I conclude that polymictic lakes will be very vulnerable to alterations in the thermal regime with respect to projections of further climate change during summer. Finally, a long-term case study on the long and short-term changes in the development of the planktonic larvae of the freshwater mussel Dreissena polymorpha was performed to analyse the impacts of simultaneous changes in the thermal and in the trophic regime of the lake. Both the climate warming and the decrease in external nutrient load were important in determining the abundance of the pelagic larvae by affecting different features of the life-history of this species throughout the warm season. The long-term increase in the abundance and length of larvae was related to the decrease in external nutrient loading and the change in phytoplankton composition. However, the recent heatwaves in 2003 and 2006 have offset this positive effect on larval abundance, due to unfavourable low oxygen concentrations that had resulted from extremely long stratification events, mimicking the effects of nutrient enrichment. Climate warming may thus induce counteracting effects in productive shallow lakes that underwent lake restoration through a decrease in external nutrient loading. I conclude that not only the nature of climate change and thus the timing of climate warming throughout the seasons and the occurrence of climatic extremes as heatwaves, but also site-specific lake conditions as the thermal mixing regime and the trophic state are crucial factors governing the impacts of climate warming on internal lake processes during summer. Consequently, further climate impact research on lake functioning should focus on how the different lake types respond to the complex environmental forcing in summer, to allow for a comprehensive understanding of human induced environmental changes in lakes.
KW  - Klimawandel
KW  - Gewässerökologie
KW  - Seen
KW  - Climate change
KW  - freshwater ecology
KW  - lakes
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14599
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wijesingha Ahchige, Micha
T1  - Canalization of plant metabolism and yield
T1  - Kanalisierung des Pflanzenmetabolismus und -ertrags
N2  - Plant metabolism is the main process of converting assimilated carbon to different crucial compounds for plant growth and therefore crop yield, which makes it an important research topic. Although major advances in understanding genetic principles contributing to metabolism and yield have been made, little is known about the genetics responsible for trait variation or canalization although the concepts have been known for a long time. In light of a growing global population and progressing climate change, understanding canalization of metabolism and yield seems ever-more important to ensure food security. Our group has recently found canalization metabolite quantitative trait loci (cmQTL) for tomato fruit metabolism, showing that the concept of canalization applies on metabolism. In this work two approaches to investigate plant metabolic canalization and one approach to investigate yield canalization are presented.
In the first project, primary and secondary metabolic data from Arabidopsis thaliana and Phaseolus vulgaris leaf material, obtained from plants grown under different conditions was used to calculate cross-environment coefficient of variations or fold-changes of metabolite levels per genotype and used as input for genome wide association studies. While primary metabolites have lower CV across conditions and show few and mostly weak associations to genomic regions, secondary metabolites have higher CV and show more, strong metabolite to genome associations. As candidate genes, both potential regulatory genes as well as metabolic genes, can be found, albeit most metabolic genes are rarely directly related to the target metabolites, suggesting a role for both potential regulatory mechanisms as well as metabolic network structure for canalization of metabolism.
In the second project, candidate genes of the Solanum lycopersicum cmQTL mapping are selected and CRISPR/Cas9-mediated gene-edited tomato lines are created, to validate the genes role in canalization of metabolism. Obtained mutants appeared to either have strong aberrant developmental phenotypes or appear wild type-like. One phenotypically inconspicuous mutant of a pantothenate kinase, selected as candidate for malic acid canalization shows a significant increase of CV across different watering conditions. Another such mutant of a protein putatively involved in amino acid transport, selected as candidate for phenylalanine canalization shows a similar tendency to increased CV without statistical significance. This potential role of two genes involved in metabolism supports the hypothesis of structural relevance of metabolism for its own stability.
In the third project, a mutant for a putative disulfide isomerase, important for thylakoid biogenesis, is characterized by a multi-omics approach. The mutant was characterized previously in a yield stability screening and showed a variegated leaf phenotype, ranging from green leaves with wild type levels of chlorophyll over differently patterned variegated to completely white leaves almost completely devoid of photosynthetic pigments. White mutant leaves show wild type transcript levels of photosystem assembly factors, with the exception of ELIP and DEG orthologs indicating a stagnation at an etioplast to chloroplast transition state. Green mutant leaves show an upregulation of these assembly factors, possibly acting as overcompensation for partially defective disulfide isomerase, which seems sufficient for proper chloroplast development as confirmed by a wild type-like proteome. Likely as a result of this phenotype, a general stress response, a shift to a sink-like tissue and abnormal thylakoid membranes, strongly alter the metabolic profile of white mutant leaves. As the severity and pattern of variegation varies from plant to plant and may be effected by external factors, the effect on yield instability, may be a cause of a decanalized ability to fully exploit the whole leaf surface area for photosynthetic activity.
N2  - Der pflanzliche Stoffwechsel ist der Hauptprozess, der assimilierten Kohlenstoff in unterschiedliche Stoffe umwandelt, die wichtig für das Pflanzenwachstum und somit den Ertrag sind, weswegen es ein wichtiges Forschungsthema ist. Obwohl große Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die zum Stoffwechsel und Ertrag beitragen, gemacht wurden, ist noch relativ wenig über die genetischen Prinzipien bekannt, die für die Variation oder Kanalisierung von Eigenschaften verantwortlich sind, obwohl diese Konzepte schon lange bekannt sind. In Anbetracht einer wachsenden Weltbevölkerung und des fortschreitenden Klimawandels, scheint es immer wichtiger zu sein, Kanalisierung von Metabolismus und Ertrag zu verstehen, um Ernährungssicherheit zu garantieren. Unsere Gruppe hat kürzlich metabolisch kanalisierte quantitative Merkmalsregionen für den Stoffwechsel von Tomatenfrüchten gefunden und damit gezeigt, dass sich das Konzept der Kanalisierung sich auf den Stoffwechsel anwenden lässt. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zu Untersuchung von Kanalisierung des pflanzlichen Stoffwechsels und ein Ansatz zur Untersuchung von Ertragskanalisierung präsentiert.
Im ersten Projekt, wurden Daten von Primär- und Sekundärmetaboliten von Arabidopsis thaliana und Phaseolus vulgaris, gewonnen von Pflanzen, die unter unterschiedlichen Bedingungen wuchsen, verwendet, um den Variationskoeffizient (VarK) oder die relative Änderung von Stoffgehalten umweltübergreifend für jeden Genotyp zu berechnen und als Eingabe für genomweite Assoziationsstudien verwendet. Während Primärmetabolite über unterschiedliche Umweltbedingungen einen geringeren VarK haben und nur wenige eher schwache Assoziationen zu genomischen Regionen zeigen, haben Sekundärstoffe einen höheren VarK und zeigen mehr und stärkere Assoziationen zwischen Metabolit und Genom. Als Kandidatengene können sowohl potenziell regulatorische, als auch metabolische Gene gefunden werden, jedoch sind metabolische Gene selten direkt zu den Zielmetaboliten verbunden, was für eine Rolle von sowohl regulatorischen Mechanismen als auch metabolischer Netzwerkstruktur für die Kanalisierung des Stoffwechsels spricht.
Im zweiten Projekt wurden Kandidatengene aus der Solanum lycopersicum cmQTL-Kartierung, ausgewählt und CRISPR/Cas9-vermittelte, genomeditierte Tomatenlinien erschaffen, um die Rolle dieser Gene in der Kanalisierung des Metabolismus zu validieren. Erhaltene Mutanten zeigten entweder starke Fehlentwicklungsphänotypen oder erschienen wildtypähnlich. Eine phänotypisch unauffällige Mutante einer Pantothensäurekinase, die als Kandidat für die Kanalisierung von Apfelsäure gewählt wurde, zeigte einen signifikanten Anstieg des VarK über unterschiedliche Bewässerungsbedingungen. Eine andere solche Mutante eines Proteins, welches mutmaßlich im Aminosäuretransport involviert ist, welches als Kandidat für die Kanalisierung von Phenylalanin gewählt wurde, zeigt eine ähnliche Tendenz zu einem erhöhten VarK ohne statistische Signifikanz. Diese potenzielle Rolle von zwei Genen, die im Stoffwechsel involviert sind, unterstützt die Hypothese einer strukturellen Relevanz des Metabolismus für seine eigene Stabilität.
Im dritten Projekt wurde eine Mutante einer mutmaßlichen Disulfid-Isomerase, welche wichtig für die Thylakoidbiogenese ist, durch einen Multiomik Ansatz charakterisiert. Die Mutante wurde vorher in einer Ertragsstabilitäts-Selektierung charakterisiert und zeigte einen panaschierten Blattphänotyp, welcher von grünen Blättern mit Wildtyp Chlorophyllgehalt über unterschiedlich gemustert panaschierte Blätter bis zu komplett weißen Blätter reichte, die fast gar keine photosynthetischen Pigmente enthielten. Weiße Blätter der Mutante zeigen Wildtyp Transkriptlevel von Photosystem-Aufbaufaktoren, mit der Ausnahme von ELIP und DEG Orthologen, was indikativ für eine Stagnation in einer Etioplast-zu-Chloroplast-Übergangsphase ist. Grüne Blätter der Mutante zeigen eine Hochregulierung dieser Aufbaufaktoren, was möglicherweise als Überkompensation für eine partiell defekte Disulfid-Isomerase wirkt und letztlich ausreichend für Chloroplastenentwicklung zu sein scheint, was wiederum durch ein wildtyp-ähnliches Proteom bestätigt wird. Wahrscheinlich als Effekt dieses Phänotyps ändern, eine generelle Stressantwort, eine Umschaltung zu einem Senke-ähnlichen Gewebe und abnormale Thylakoidmembranen, stark das metabolische Profil von weißen Blättern der Mutante. Da der Schweregrad und das Muster der Panaschierung von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich ist und durch äußere Faktoren beeinflusst sein könnte, könnte der Effekt auf die Ertragsstabilität eine Folge einer dekanalisierten Fähigkeit sein die ganze Blattoberfläche für photosynthetische Aktivität zu nutzen.
KW  - canalization
KW  - phenotypic variation
KW  - metabolism
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - GWAS
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - GWAS
KW  - Kanalisierung
KW  - Metabolismus
KW  - phänotypische Variation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548844
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wettstein, Christoph
T1  - Cytochrome c-DNA and cytochrome c-enzyme interactions for the construction of analytical signal chains
N2  - Electron transfer (ET) reactions play a crucial role in the metabolic pathways of all organisms. In biotechnological approaches, the redox properties of the protein cytochrome c (cyt c), which acts as an electron shuttle in the respiratory chain, was utilized to engineer ET chains on electrode surfaces. With the help of the biopolymer DNA, the redox protein assembles into electro active multilayer (ML) systems, providing a biocompatible matrix for the entrapment of proteins. 
In this study the characteristics of the cyt c and DNA interaction were defined on the molecular level for the first time and the binding sites of DNA on cyt c were identified. Persistent cyt c/DNA complexes were formed in solution under the assembly conditions of ML architectures, i.e. pH 5.0 and low ionic strength. At pH 7.0, no agglomerates were formed, permitting the characterization of the NMR spectroscopy. Using transverse relaxation-optimized spectroscopy (TROSY)-heteronuclear single quantum coherence (HSQC) experiments, DNAs’ binding sites on the protein were identified. In particular, negatively charged AA residues, which are known interaction sites in cyt c/protein binding were identified as the main contact points of cyt c and DNA. 
Moreover, the sophisticated task of arranging proteins on electrode surfaces to create functional ET chains was addressed. Therefore, two different enzyme types, the flavin dependent fructose dehydrogenase (FDH) and the pyrroloquinoline quinone dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), were tested as reaction partners of freely diffusing cyt c and cyt c immobilized on electrodes in mono- and MLs. The characterisation of the ET processes was performed by means of electrochemistry and the protein deposition was monitored by microgravimetric measurements. FDH and PQQ-GDH were found to be generally suitable for combination with the cyt c/DNA ML system, since both enzymes interact with cyt c in solution and in the immobilized state. The immobilization of FDH and cyt c was achieved with the enzyme on top of a cyt c monolayer electrode without the help of a polyelectrolyte. Combining FDH with the cyt c/DNA ML system did not succeed, yet. However, the basic conditions for this protein-protein interaction were defined. PQQ-GDH was successfully coupled with the ML system, demonstrating that that the cyt c/DNA ML system provides a suitable interface for enzymes and that the creation of signal chains, based on the idea of co-immobilized proteins is feasible. 
Future work may be directed to the investigation of cyt c/DNA interaction under the precise conditions of ML assembly. Therefore, solid state NMR or X-ray crystallography may be required. Based on the results of this study, the combination of FDH with the ML system should be addressed. Moreover, alternative types of enzymes may be tested as catalytic component of the ML assembly, aiming on the development of innovative biosensor applications.
N2  - In den Energiegewinnungsprozessen der Zellen spielen biochemische Reaktion, die auf Elektronentransfer (ET) basieren, eine wichtige Rolle. So sind die Proteinkomplexe der Atmungskette, welche an der inneren Membran der Mitochondrien abläuft, über eine ET-Kette miteinander verbunden. In biotechnologischen Anwendungen wird dieses Phänomen genutzt um Proteine auf der Oberfläche von Elektroden als funktionierende ET-Ketten zu arrangieren. Dabei kann der ET innerhalb dieser Kaskaden als elektrischer Strom gemessen und als Signal betrachtet werden. Dies ermöglicht die Anwendung von proteinmodifizierten Elektroden als Biosensoren und Biobrennstoffzellen. Ein geeigneter Baustein für den Aufbau vielschichtiger ET-Systeme ist das kleine, eisenhaltige Protein Cytochrom c (Cyt c), welches in der Lage ist Elektronen aufzunehmen, zu transportieren und wieder abzugeben. Als zweiter Baustein dient das lange, fadenartige Biomolekül DNA. DNA und Cyt c interagieren unter bestimmten Bedingungen aufgrund ihrer entgegengesetzten Oberflächenladungen. Dies ermöglicht den schichtweisen Aufbau stabiler Cyt c/DNA-Multischichten (MS) auf Elektrodenoberflächen, welche durch die sogenannte Layer-by-Layer (LbL) Technik aufgebaut werden. In diesen MS Systemen behält Cyt c trotz der Immobilisierung seine Beweglichkeit um die eigene Achse, wodurch der Selbstaustausch von Elektronen zwischen den Cyt c Molekülen sowie der ET zur Elektrode gewährleistet wird.
Der molekulare Aufbau der Cyt c/DNA MS sowie die Interaktion zwischen den zwei biologischen Bausteine ist weitgehend unerforscht, daher wurden in der vorliegenden Studie die genauen Bedingungen der Cyt c/DNA Interaktion in Lösung untersucht. Außerdem wird die Eignung des MS Systems zur Einbettung von Enzymen getestet.
Die Bausteine des MS-Systems, Cyt c und DNA bilden in Lösung stabile Komplexe unter den Assemblierungsbedingungen der MS (d.h. pH 5.0 und geringe Salzkonzentration). Im Vergleich dazu tritt  bei pH 7.0 eine schwächere Interaktion auf, die für eine Komplexbildung nicht ausreicht. Dies ermöglicht die Untersuchung der Interaktion mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR, engl. nuclear magnetic resonance spectroscopy), wobei die Interaktionsstellen des DNA-Moleküls auf Cyt c bestimmt werden. Im Vergleich zu pH 7.0 wird im leicht sauren pH-Bereich (6.0) eine erhöhte Anzahl an Interaktionspunkten gefunden, was Rückschlüsse auf eine erhöhte Interaktion zulässt. Dies resultiert schließlich in der starken Bindung bei pH 5.0, die den Aufbau stabiler Cyt c/DNA-MS auf Elektrodenoberflächen ermöglicht. Darüber hinaus spielen der Salzgehalt der Lösung sowie das Konzentrationsverhältnis von Cyt c und DNA eine wichtige Rolle.
Auf der Grundlage des Cyt c/DNA-MS Aufbaus sollte durch die Kopplung eines Enzymes eine Signalkette mit sensorischen Eigenschaften geschaffen werden. Das Enzym dient dabei als Erkennungselement für bestimmte Moleküle in Lösung. Durch die Reaktion des Enzyms mit dem Molekül wird ein bioelektrisches Signal generiert, das durch elektrochemische Methoden gemessen wird. Dies wurde mit zwei verschiedenen Enzymen, der Glukose Dehydrogenase (GDH) und der Fruktose Dehydrogenase (FDH), untersucht. Beide Enzyme waren in der Lage mit einer Cyt c Monoschicht zu kommunizieren und konnten mit dem redox Protein auf der Elektrodenoberfläche immobilisiert werden. GDH konnte erfolgreich mit dem Cyt c/DNA-MS System gekoppelt und die Sensoreigenschaften der so aufgebauten Elektronentransferkette charakterisiert werden.
Zusammenfassend charakterisiert diese Arbeit die Bedingungen der Cyt c/DNA-Komplexbildung und gibt einen Einblick in die bisher unbekannte Interaktion zwischen Cyt c und DNA auf der molekularen Ebene. Darüber hinaus wird die Nutzbarkeit des Cyt c/DNA MS Systems zur Einbettung von Enzymen am Beispiel der GDH gezeigt und schafft somit die Grundlage für das bessere Verständnis von ET Reaktionen zwischen Proteinen auf Elektrodenoberflächen.
T2  - Cytochrom c-DNA und Cytochrom c-Enzym Interaktion für den Aufbau analytischer Signalketten
KW  - biosensor
KW  - protein
KW  - DNA
KW  - enzyme
KW  - interaction
KW  - DNA
KW  - Biosensor
KW  - Enzym
KW  - Interaktion
KW  - Protein
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78367
ER  - 
TY  - THES
A1  - Westbury, Michael V.
T1  - Unraveling evolution through Next Generation Sequencing
T1  - Entschlüsselung von Evolution durch Sequenzierung der nächsten Generation
N2  - The sequencing of the human genome in the early 2000s led to an increased interest in cheap and fast sequencing technologies. This interest culminated in the advent of next generation sequencing (NGS). A number of different NGS platforms have arisen since then all promising to do the same thing, i.e. produce large amounts of genetic information for relatively low costs compared to more traditional methods such as Sanger sequencing. The capabilities of NGS meant that researchers were no longer bound to species for which a lot of previous work had already been done (e.g. model organisms and humans) enabling a shift in research towards more novel and diverse species of interest. This capability has greatly benefitted many fields within the biological sciences, one of which being the field of evolutionary biology. Researchers have begun to move away from the study of laboratory model organisms to wild, natural populations and species which has greatly expanded our knowledge of evolution. NGS boasts a number of benefits over more traditional sequencing approaches. The main benefit comes from the capability to generate information for drastically more loci for a fraction of the cost. This is hugely beneficial to the study of wild animals as, even when large numbers of individuals are unobtainable, the amount of data produced still allows for accurate, reliable population and species level results from a small selection of individuals. 

The use of NGS to study species for which little to no previous research has been carried out on and the production of novel evolutionary information and reference datasets for the greater scientific community were the focuses of this thesis. Two studies in this thesis focused on producing novel mitochondrial genomes from shotgun sequencing data through iterative mapping, bypassing the need for a close relative to serve as a reference sequence. These mitochondrial genomes were then used to infer species level relationships through phylogenetic analyses. The first of these studies involved reconstructing a complete mitochondrial genome of the bat eared fox (Otocyon megalotis). Phylogenetic analyses of the mitochondrial genome confidently placed the bat eared fox as sister to the clade consisting of the raccoon dog and true foxes within the canidae family. The next study also involved reconstructing a mitochondrial genome but in this case from the extinct Macrauchenia of South America. As this study utilised ancient DNA, it involved a lot of parameter testing, quality controls and strict thresholds to obtain a near complete mitochondrial genome devoid of contamination known to plague ancient DNA studies. Phylogenetic analyses confidently placed Macrauchenia as sister to all living representatives of Perissodactyla with a divergence time of ~66 million years ago. The third and final study of this thesis involved de novo assemblies of both nuclear and mitochondrial genomes from brown and striped hyena and focussed on demographic, genetic diversity and population genomic analyses within the brown hyena. Previous studies of the brown hyena hinted at very low levels of genomic diversity and, perhaps due to this, were unable to find any notable population structure across its range. By incorporating a large number of genetic loci, in the form of complete nuclear genomes, population structure within the brown hyena was uncovered. On top of this, genomic diversity levels were compared to a number of other species. Results showed the brown hyena to have the lowest genomic diversity out of all species included in the study which was perhaps caused by a continuous and ongoing decline in effective population size that started about one million years ago and dramatically accelerated towards the end of the Pleistocene.

The studies within this thesis show the power NGS sequencing has and its utility within evolutionary biology. The most notable capabilities outlined in this thesis involve the study of species for which no reference data is available and in the production of large amounts of data, providing evolutionary answers at the species and population level that data produced using more traditional techniques simply could not.
N2  - Die Sequenzierung des ersten menschlichen Genoms Anfang der 2000er Jahre förderte das Interesse an kostengünstigen und gleichzeitig schnelleren Sequenziertechniken. Dieses Interesse erreichte seinen derzeitigen Höhepunkt in der Einführung des sogenannten Next Generation Sequencings (NGS). Seitdem wurden zahlreiche NGS-Plattformen entwickelt, die alle dem gleichen Prinzip folgen, nämlich das Erzeugen großer Mengen genetischer Information zu relativ geringen Preisen verglichen mit herkömmlichen Methoden wie der Sanger-Sequenzierung. Die neue Leistungsfähigkeit von NGS bedeutete, dass Forscher nicht mehr länger an Organismen gebunden waren an denen bereits seit Jahren geforscht wurde (bspw. Modellorganismen oder der Mensch), sondern ermöglichte eine Verschiebung in Richtung neuerer und unterschiedlicher Arten von Interesse. Dieses Potential hat viele Wissenschaftsfelder positiv beeinflusst innerhalb der Biowissenschaften, u.a. das Feld der Evolutionsbiologie. Forscher haben angefangen sich zunehmend von Modellorganismen in Laboratorien wegzubewegen hinzu wildlebenden, natürlich vorkommenden Populationen und Arten, was unser Verständnis von Evolution maßgeblich erweitert hat. NGS hat mehrere Vorteile aufzuweisen gegenüber den herkömmlichen Sequenziermethoden. Der wohl größte Vorteil ist die Gewinnung genetischer Daten für mehrere Genorte (Loci) gleichzeitig zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten. Das ist besonders nützlich für die Untersuchung wildlebender Tiere da, selbst wenn nicht ausreichend viele Individuen vorliegen, die gewonnene Menge an Daten genaue und verlässliche Ergebnisse auf Populations- sowie Artebene für eine kleine Auswahl an Individuen liefert.

Die Verwendung von NGS zur Untersuchung von Arten, für die bisher wenig oder gar keine vorherigen Forschungsergebnisse vorliegen sowie die Gewinnung neuartiger Informationen im Bereich Evolution ebenso wie die Erstellung eines Referenzdatensatzes, der der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden kann, waren der Fokus dieser Arbeit. Zwei Studien in dieser Arbeit setzten ihren Fokus in der Gewinnung noch nicht publizierter, mitochondrialer Genome, die mittels iterative mapping erstellt wurden und so das Vorhandensein einer Referenzsequenz eines nahen Verwandten der untersuchten Art unnötig machten. In beiden Fällen wurden Shotgun Sequenzierungsdaten verwendet. Die so gewonnenen mitochondrialen Genome wurden dann genutzt, um innerartliche Verwandtschaftsverhältnisse mit hilfe von phylogenetischen Analysen zu klären. Die erste Studie befasste sich mit der Rekonstruktion des kompletten mitochondrialen Genoms des Löffelhundes (Otocyon megalotis). Die phylogenetische Analyse des mitochondrialen Genoms positionierten den Löffelhund sicher als Schwestergruppe der Klade bestehend aus Marderhund und echten Füchsen innerhalb der Familie Canidae. Die zweite Studie hat sich ebenfalls mit der Rekonstruktion eines mitochondrialen Genoms auseinandergesetzt, diesmal von einer bereits ausgestorbenen Art Südamerikas, dem Macrauchenia. Da diese Studie auf sehr alter DNA (ancient DNA) basiert, schließt sie viele Parametertests, Qualitätskontrollen sowie strenge Filterkriterien ein um ein fast vollständiges mitochondriales Genom erhalten zu können, frei von den für ancient DNA typischen Kontaminationen. Phylogenetische Analysen positionieren Macrauchenia als Schwestergruppe zu allen anderen lebenden Vertretern der Perissodactyla mit einer Abspaltung vor ~66 Millionen Jahren. Die dritte und letzte Studie dieser Arbeit beinhaltet die de novo Konstruktionen von nukleären und mitochondrialen Genomen der Schabracken- und Streifenhyäne mit Fokus auf demographische, genetische Diversität sowie Populationsgenomische Analysen innerhalb der Schabrackenhyänen. Vorausgehende Studien an der Schabrackenhyäne gaben Hinweise für einen geringen Grad an genomischer Diversität und, waren vielleicht deshalb, bisher nicht in der Lage eine nennenswerte Populationsstruktur der Schabrackenhyäne aufzudecken. Zusätzlich wurde die genomische Diversität mit der von einer Reihe anderer Arten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schabrackenhyäne die niedrigste genomische Diversität aufweist im Vergleich zu den in dieser Studie verwendeten Arten, was vielleicht mit einem kontinuierlichen und fortschreitenden Rückgang der effektiven Populationsgröße dieser Spezies zu erklären ist, der vor ca. einer Million Jahre eingesetzt hat und dramatisch zugenommen hat zum Ende des Pleistozän.

Die Studien dieser Arbeit zeigen das Potential von NGS Sequenzierung und ihren Nutzen innerhalb der Evolutionsbiologie. Die nennenswertesten Anwendungen von NGS, die in dieser Arbeit hervorgehoben wurden, sind zum Einen der Nutzen für Organismen bzw. Arten für die es keine verfügbaren Referenzdaten gibt sowie zum Anderen die Gewinnung von großen Datenmengen, die die Grundlage bilden zur Beantwortung evolutionsbiologischer Fragestellungen auf Art- und Populationsebene, was vorhergegangene, traditionelle Methoden bisher nicht leisten konnten.
KW  - Next generation sequencing
KW  - Evolution
KW  - Hyena
KW  - Evolution
KW  - Hyäne
KW  - Sequenzierung der nächsten Generation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409981
ER  - 
TY  - THES
A1  - Werner, Deljana
T1  - Versuche zur Gewinnung von katalytischen Antikörpern zur Hydrolyse von Arylcarbamaten und Arylharnstoffen
T1  - Attempts to produce catalytic antibodies for hydrolysis of arylcarbamates and arylureas
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit gelang es, katalytische Antikörper zur Hydrolyse von Benzylphenylcarbamaten sowie zahlreiche monoklonale Antikörper gegen Haptene herzustellen.  Es wurden verschiedene Hapten-Protein-Konjugate unter Verwendung unterschiedlicher Kopplungsmethoden hergestellt und charakterisiert. Zur Generierung der hydrolytisch aktiven Antikörper wurden Inzuchtmäuse mit KLH-Konjugaten von 4 Übergangszustandsanaloga (ÜZA) immunisiert. Mit Hilfe der Hybridomtechnik wurden verschiedene monoklonale Antikörper gegen diese ÜZA gewonnen. Dabei wurden sowohl verschiedene Immunisierungsschemata als auch verschiedene Inzuchtmausstämme und Fusionstechniken verwendet. Insgesamt wurden 32 monoklonale Antikörper gegen die verwendeten ÜZA selektiert. Diese Antikörper wurden in großen Mengen hergestellt und gereinigt.   Zum Nachweis der Antikörper-vermittelten Katalyse wurden verschiedene Methoden entwickelt und eingesetzt, darunter immunologische Nachweismethoden mit Anti-Substrat- und Anti-Produkt-Antikörpern und eine photometrische Methode mit Dimethylaminozimtaldehyd. Der Nachweis der hydrolytischen Aktivität gelang mit Hilfe eines Enzymsensors, basierend auf immobilisierter Tyrosinase. Die Antikörper N1-BC1-D11, N1-FA7-C4, N1-FA7-D12 und R3-LG2-F9 hydrolysierten die Benzylphenylcarbamate POCc18, POCc19 und Substanz 27. Der Nachweis der hydrolytischen Aktivität dieser Antikörper gelang auch mit Hilfe der HPLC.   Der katalytische Antikörper N1-BC1-D11 wurde kinetisch und thermodynamisch untersucht. Es wurde eine Michaelis-Menten-Kinetik mit Km von 210 µM, vmax von 3 mM/min und kcat von 222 min-1 beobachtet. Diese Werte korrelieren mit den Werten der wenigen bekannten Diphenylcarbamat-spaltenden Abzyme. Die Beschleunigungsrate des Antikörpers N1-BC1-D11 betrug 10. Das ÜZA Hei3 hemmte die hydrolytische Aktivität. Dies beweist, dass die Hydrolyse in der Antigenbindungsstelle stattfindet. Weiter wurde zwischen der Antikörperkonzentration und der Umsatzgeschwindigkeit eine lineare Abhängigkeit festgestellt. Die thermodynamische Gleichtgewichtsdissoziationskonstante KD des Abzyms von 2,6 nM zeugt von einer sehr guten Affinität zum ÜZA.   Hydrolytisch aktiv waren nur Antikörper, die gegen das Übergangszustandsanalogon Hei3 hergestellt worden waren. Es wird vermutet, dass die Hydrolyse der Benzylphenylcarbamate über einen Additions-Eliminierungsmechanismus unter Ausbildung eines tetraedrischen Übergangszustandes verläuft, dessen analoge Verbindung Hei3 ist.  Im Rahmen der Generierung von Nachweisantikörpern zur Detektion der Substratabnahme bei der Hydrolyse wurden Anti-Diuron-Antikörper hergestellt. Einer der Antikörper (B91-CG5) ist spezifisch für das Herbizid Diuron und hat einen IC50-Wert von 0,19 µg/l und eine untere Nachweisgrenze von 0,04 µg/l. Ein anderer Antikörper (B91-KF5) reagiert kreuz mit einer Palette ähnlicher Herbizide. Mit diesen Antikörpern wurde ein empfindlicher Labortest, der ein Monitoring von Diuron auf Grundlage des durch die Trinkwasserverordnung festgeschriebenen Wertes für Pflanzenschutzmittel von 0,1 µg/l erlaubt, aufgebaut.   Der Effekt der Anti-Diuron-Antikörper auf die Diuron-inhibierte Photosynthese wurde in vitro und in vivo untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass sowohl in isolierten Thylakoiden, als auch in intakten Algen eine Vorinkubation der Anti-Diuron-Antikörper mit Diuron zur Inaktivierung seiner Photosynthese-hemmenden Wirkung führt. Wurde der Elektronentransport in den isolierten Thylakoiden oder in Algen durch Diuron unterbrochen, so führte die Zugabe der Anti-Diuron-Antikörper zur Reaktivierung der Elektronenübertragung.
N2  - Attempts to produce catalytic antibodies for hydrolysis of arylcarbamates and arylureas: The aim of the investigations was to produce antibodies which are able to cleave herbicides resistant to naturally occuring enzymes. Structurally similar carbamate and urea derivatives were chosen for the experiments.  Phosphonate derivatives were synthesized that mimick possible transition state analogues in structure and charge. Mice were immunized with 4 different derivatives after conjugating them to carrier proteins. 32 hybridomas were established that produce monoclonal antibodies binding to these derivatives.   The possible cleavage of substrates was determined by immunoassays with monoclonal antibodies against the substrate and the products and with a photometric method based on dimethylaminocinammonaldehyde. The measuring of cleavage products was succeeded by an amperometric method. The enzyme sensor was based on immobilized tyrosinase which oxidizes p-chlorophenol and phenol.  The antibodies N1-BC1-D11, N1-FA7-C4, N1-FA7-D12 und R3-LG2-F9 hydrolysed the benzylphenylcarbamates POCc18, POCc19 und Substance 27. The hydrolytic activity of these antibodies was also succeeded with HPLC.  The catalytic antibody N1-BC1-D11 was investigated kinetically and thermodynamically. A Michaelis-Menten-Kinetic was observed (at pH 8.0 exhibited a Km 210 µM, a vmax 3 mM/min and a kcat 222 min-1). These values are in the range of the values obtained for the antibody-catalysed hydrolysis of diphenylcarbamates. The rate enhancement of N1-BC1 was 10. The reaction was completely inhibited by stoichiometric quantities of the transition state analogue Hei3. This is consistent with the affinity of the abzyme to Hei3 of 2.6 nM, determined by BIAcore assay.  Only antibodies generated against Hei3 showed hydrolytic activity. The hydrolysis of benzylphenylcarbamates presumably occurs via an addition-elimination-Mechanism involving a tetrahedral intermediate.   In summary, this work presents the first example of antibody-catalysed hydrolysis of benzylphenylcarbamates.   Monoclonal anti-diuron antibodies were generated that bind to the herbicide diuron with an extremely low equilibrium dissociation constant. A sensitive immunoassay with a low detection limit of 0.2 nM for diuron was established. This is the most sensitive immunological method for detection of diuron known so far.  These antibodies were also used in vitro and in vivo to prevent diuron-dependent inhibition of photosynthesis or to restore photosynthesis after inhibition. In isolated thylakoids prepared from spinach leaves (Spinacia oleracea L.) the diuron-inhibited Hill reaction was reconstituted immediately following the addition of the monoclonal antibodies. In an in vivo approach the photosynthetic oxygen evolution of the cell wall deficient mutant (cw 15) of the green alga Chlamydomonas reinhardtii Dangeard was monitored. The antibodies prevented the diuron-dependent inhibition of photosynthesis and restored photosynthesis after inhibition. Transgenic plants that synthesize and accumulate these antibodies or antibody fragments and are therefore diuron-resistant can be created.
KW  - katalytische Antikörper
KW  - Arylcarbamate
KW  - Arylharnstoffe
KW  - monoklonale Antikörper
KW  - Haptene
KW  - Diuron
KW  - Anti-Diuron-Antikörper
KW  - Herbizide
KW  - Photosynthese
KW  - catalytic antibodies
KW  - arylcarbamates
KW  - arylureas
KW  - monoclonal antibodies
KW  - haptens
KW  - diuron
KW  - anti-diuron-antibodies
KW  - herbicides
KW  - photosynthesis
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000463
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wende, Hagen
T1  - Genetische Charakterisierung des "Leukocyte Receptor Complex" und Entwicklung einer Methode zum Nachweis seiner Produkte im Einzelzellmaßstab
N2  - Der "Leukocyte Receptor Complex" (LRC) ist ein DNA-Sequenzabschnitt auf dem Chromosom 19 des Menschen, der eine Länge von über 900.000 Basenpaaren umfaßt. In diesem Chromosomenabschnitt ist eine Vielzahl von Genen lokalisiert, die für die Funktion verschiedener weißer Blutzellen (Leukozyten) von entscheidender Bedeutung sind. Bei den aus diesen Genen synthetisierten Proteinen (Eiweißen) handelt es sich um Strukturen, die auf der Oberfläche dieser Zellen lokalisiert sind und zur Interaktion der Leukozyten mit ihrer Umgebung dienen. Diese auch als Rezeptoren bezeichneten Proteine können mit Oberflächenproteinen auf anderen Körperzellen wechselwirken und daraus resultierende Signale in das Innere der Blutzelle weiterleiten.  In der vorliegenden Doktorarbeit wurde der LRC im Detail untersucht. Hierzu wurde zunächst der gesamte Chromosomenabschnitt aus kleineren, einander überlappenden DNA-Fragmenten rekonstruiert. Aufgrund der in diesen DNA-Fragmenten enthaltenen DNA-Sequenzen war es möglich, den gesamten Chromosomenabschnitt ähnlich einem Puzzle zusammenzusetzen. Die anschließende Analyse des LRC zeigte, daß sich dieser in drei Bereiche, sogenannte Cluster, unterteilen läßt. Diese Cluster sind dadurch gekennzeichnet, daß in ihnen jeweils nur Gene eines Rezeptortyps vorkommen. Hierbei handelt es sich um ‚immunoglobulin-like transcript′ -Gene (ILT) und ‚killer cell Ig-like receptor′-Gene (KIR). Die KIR- und ILT-Cluster werden von weiteren stammesgeschichtlich verwandten Genen unterbrochen und flankiert. Je nach Individuum können im LRC bis zu 31 solcher verwandten Rezeptorgene lokalisiert sein. Auf der Grundlage der Kartierungsdaten und von Daten des humanen Genomprojekts war es zudem möglich, evolutionäre Untersuchungen zur Entwicklung des LRC durchzuführen. Dabei wurde eine Hypothese zur Entstehung des LRC entworfen und zu anderen Spezies in Beziehung gesetzt.  Im zweiten Teil der Arbeit habe ich aufbauend auf der sogenannten HRCA-Methode eine Technik entwickelt, die es erlaubt kleinste Unterschiede zwischen DNA-Sequenzen, sogenannte Einzelbasenpaaraustausche, nachzuweisen. Die entwickelte Methode kann verwendet werden, um sehr ähnliche DNA-Sequenzen, wie z.B. verschiedene KIR-Sequenzen, zu unterscheiden und ihre Menge zu bestimmen. Sie ist außerdem geeignet Mutationen, die mit bestimmten Krankheiten assoziiert sind, nachzuweisen und könnte somit in der Diagnostik Anwendung finden.
N2  - The Leukocyte Receptor Complex (LRC) is a DNA region on human chromosome 19 with a length of approximately 900.000 base pairs. A number of genes, which are located in this chromosomal region, are known to be important for the function of some types of white blood cells (leukocytes). The products of theses genes are proteins, which are located on the surface of these cells and enable them to interact with their environment. These proteins are also called receptors. They can bind to cell surface proteins on other cells and transmit resulting signals into the leukocyte.  During my work I analyzed the chromosomal organization of the LRC in detail. To do so, I reconstructed the whole chromosomal region from smaller overlapping DNA fragments. Due to the DNA sequences contained within these fragments it was possible to put the whole chromosomal region together like a puzzle. The following analyses of the LRC showed that it is mainly composed of three regions, so called clusters. These clusters are characterised by the presence of only one receptor family. These are the immunoglobulin-like transcripts (ILTs) and the killer cell Ig-like receptors (KIR) respectively. In the LRC the KIR- and ILT-Clusters are flanked by additional receptor genes, which are evolutionary related to KIRs and ILTs. The number of receptor genes in the LRC varies between individuals, their can be up to 31 genes on each chromosome.  On the basis of the data obtained in this work as well as data from the human genome project it was also possible to draw conclusions concerning the evolutionary development of the LRC. I developed a hypothesis of the origin of the LRC and discussed this in comparison to other species.  In the second part of my thesis I developed a new technique based on the so-called ’hyper-branched rolling circle amplification′ (HRCA). This technique allows the detection of small differences between two or more DNA molecules, so called ’single nucleotide polymorphisms′ (SNPs). With this newly developed method it is possible to distinguish very similar variants of a gene, e.g. two KIR sequences, and to determine their relative concentration. The method can also be used to detect mutations, which are associated with certain diseases and could therefore be used for diagnostic purposes.
KW  - Leukocyte Receptor Complex LRC KIR ILT FCAR Immunglobulin Evolution Immunsystem SNP HRCA
KW  - Leukocyte Receptor Complex LRC KIR ILT FCAR immunoglobulin evolution SNP HRCA
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001298
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wen, Xi
T1  - Distribution patterns and environmental drivers of methane-cycling microorganisms in natural environments and restored wetlands
N2  - Methane is an important greenhouse gas contributing to global climate change. Natural environments and restored wetlands contribute a large proportion to the global methane budget. Methanogenic archaea (methanogens) and methane oxidizing bacteria (methanotrophs), the biogenic producers and consumers of methane, play key roles in the methane cycle in those environments. A large number of studies revealed the distribution, diversity and composition of these microorganisms in individual habitats. However, uncertainties exist in predicting the response and feedback of methane-cycling microorganisms to future climate changes and related environmental changes due to the limited spatial scales considered so far, and due to a poor recognition of the biogeography of these important microorganisms combining global and local scales.
With the aim of improving our understanding about whether and how methane-cycling microbial communities will be affected by a series of dynamic environmental factors in response to climate change, this PhD thesis investigates the biogeographic patterns of methane-cycling communities, and the driving factors which define these patterns at different spatial scales. At the global scale, a meta-analysis was performed by implementing 94 globally distributed public datasets together with environmental data from various natural environments including soils, lake sediments, estuaries, marine sediments, hydrothermal sediments and mud volcanos. In combination with a global biogeographic map of methanogenic archaea from multiple natural environments, this thesis revealed that biogeographic patterns of methanogens exist. The terrestrial habitats showed higher alpha diversities than marine environments. Methanoculleus and Methanosaeta (Methanothrix) are the most frequently detected taxa in marine habitats, while Methanoregula prevails in terrestrial habitats. Estuary ecosystems, the transition zones between marine and terrestrial/limnic ecosystems, have the highest methanogenic richness but comparably low methane emission rates. At the local scale, this study compared two rewetted fens with known high methane emissions in northeastern Germany, a coastal brackish fen (Hütelmoor) and a freshwater riparian fen (Polder Zarnekow). Consistent with different geochemical conditions and land-use history, the two rewetted fens exhibit dissimilar methanogenic and, especially, methanotrophic community compositions. The methanotrophic community was generally under-represented among the prokaryotic communities and both fens show similarly low ratios of methanotrophic to methanogenic abundances. Since few studies have characterized methane-cycling microorganisms in rewetted fens, this study provides first evidence that the rapid and well re-established methanogenic community in combination with the low and incomplete re-establishment of the methanotrophic community after rewetting contributes to elevated sustained methane fluxes following rewetting.
Finally, this thesis demonstrates that dispersal limitation only slightly regulates the biogeographic distribution patterns of methanogenic microorganisms in natural environments and restored wetlands. Instead, their existence, adaption and establishment are more associated with the selective pressures under different environmental conditions. Salinity, pH and temperature are identified as the most important factors in shaping microbial community structure at different spatial scales (global versus terrestrial environments). Predicted changes in climate, such as increasing temperature, changes in precipitation patterns and increasing frequency of flooding events, are likely to induce a series of environmental alterations, which will either directly or indirectly affect the driving environmental forces of methanogenic communities, leading to changes in their community composition and thus potentially also in methane emission patterns in the future.
N2  - Methan ist ein wichtiges Treibhausgas, das zum globalen Klimawandel beiträgt. Bedeutend für das globale Methanbudget sind unter anderem natürliche und wiedervernäßte Moore. Methanogene Archaeen (Methanogene) und Methan-oxidierende Bakterien (Methanotrophe) sind die biogenen Produzenten und Konsumenten von Methan. Daher nehmen sie global, und speziell in Mooren, eine Schlüsselrolle für das Methanbudget ein. Eine Vielzahl von Studien hat die Verteilung, Vielfalt und Zusammensetzung dieser Mikroorganismen in einzelnen Lebensräumen untersucht. Es bestehen jedoch Unsicherheiten in der Vorhersage, wie sie auf den globalen Wandel und auf die damit verbundenen Umweltveränderungen reagieren werden. Diese Unsicherheiten basieren unter anderem auf bislang fehlenden biogeographischen Untersuchungen, die globale und lokale Skalen kombinieren, und auf einem unzureichenden Verständnis dazu, ob und welche Umweltfaktoren speziell methanogene Gemeinschaften beeinflussen. Zudem gibt es trotz der Bedeutung von Projekten zur Moorwiedervernässung für das regionale und globale Treibhausgasbudget nahezu keine Untersuchungen zur Zusammensetzung und Verbreitung von methanogenen und methanotrophen Gemeinschaften in degradierten wiedervernäßten, eutrophen Niedermooren. 
Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, unser Verständnis zur Reaktion der am Methanbudget beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften auf den globalen Wandel und auf die damit einhergehenden Umweltänderungen zu verbessern. Die Arbeit untersucht daher zum einen die biogeographischen Muster methanogener Gemeinschaften und die ihnen zugrunde liegenden Umweltfaktoren auf verschiedenen räumlichen Skalen. Auf globaler Ebene wurde eine Meta-Analyse durchgeführt, die auf 94 global verteilten, öffentlichen Sequenzdatensätzen sowie den dazugehörigen Umweltdaten aus verschiedenen natürlichen Ökosystemen basiert. Hierzu gehören Böden, Seesedimente, Ästuare, marine Sedimente, hydrothermale Sedimente und Schlammvulkane. In Kombination mit einer globalen biogeographischen Karte zur Verbreitung methanogener Archaeen konnte diese Arbeit zeigen, dass biogeographische Muster von Methanogenen existieren. Terrestrische Ökosysteme zeigen zudem eine höhere Diversität als marine Ökosysteme. Ästuare, Übergangszonen zwischen marinen und terrestrischen/ limnischen Ökosystemen, weisen die größte methanogene Diversität bei jedoch vergleichsweise geringen Methanemissionen auf. Methanoculleus und Methanosaeta (Methanothrix) sind die am häufigsten nachgewiesenen Taxa in marinen Lebensräumen, während Methanoregula in terrestrischen Ökosystemen dominiert. Auf lokaler Ebene wurden in dieser Arbeit zwei wiedervernässte, eutrophe Niedermoore im Nordosten Deutschlands verglichen, das von der Ostsee beeinflusste „Hütelmoor“ und das Durchströmungsmoor „Polder Zarnekow“. Beide Moore sind durch hohe Methanemissionen infolge der Wiedervernässung charakterisiert. Einhergehend mit unterschiedlichen geochemischen Bedingungen und unterschiedlicher Nutzungshistorie weisen diese beiden wiedervernässten Standorte in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche methanogene und methanotrophe Gemeinschaften auf lokaler Ebene auf. Zudem ist die Gruppe der Methanotrophen innerhalb der prokaryotischen Gemeinschaften jeweils unterrepräsentiert und beide Moore zeigen ein vergleichbar niedriges Verhältnis von Methanotrophen im Vergleich zu Methanogenen. Diese Arbeit liefert erste Hinweise darauf, dass die schnelle und erfolgreiche Wiederbesiedlung durch Methanogene in Kombination mit einer offenbar schlecht etablierten methanotrophen Gemeinschaft zu den erhöhten Methanflüssen in beiden Mooren nach Wiedervernässung beiträgt.
Abschließend zeigt diese Arbeit, dass eine eingeschränkte Migration („dispersal limitation“) die biogeographischen Verteilungsmuster von Methanogenen in natürlichen Ökosystemen kaum beeinflusst. Stattdessen werden Vorkommen und Anpassung von methanogenen Gemeinschaften vor allem durch den selektiven Druck verschiedener Umweltbedingungen reguliert. Die Umweltparameter Salzgehalt, pH-Wert und Temperatur wurden dabei als wichtigste Faktoren identifiziert, die die Verbreitung methanogener Gemeinschaften global bzw. speziell in terrestrischen Standorten beeinflussen. Es ist daher wahrscheinlich, dass prognostizierte Klimaveränderungen wie steigende Temperatur, Änderungen der Niederschlagsmuster und zunehmende Häufigkeit von Überschwemmungsereignissen zu Änderungen in der Zusammensetzung methanogener Gemeinschaften führen, die möglicherweise auch die Methanemissionsmuster beeinflussen werden.
T2  - Verteilungsmuster Methan produzierender und Methan oxidierender Mikroorganismen und deren Abhängigkeit von Umweltfaktoren in natürlichen Ökosystemen und wiedervernäßten Mooren
KW  - biogeography
KW  - Biogeographie
KW  - methanogens
KW  - methanotrophs
KW  - Methanogene
KW  - Methanotrophe
KW  - distribution pattern
KW  - Verteilungsmuster
KW  - methane
KW  - Methane
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471770
ER  - 
TY  - THES
A1  - Welsch, Maryna
T1  - Investigation of the stress tolerance regulatory network integration of the NAC transcription factor JUNGBRUNNEN1 (JUB1)
T1  - Untersuchung des Stresstoleranz-Regulationsnetzwerks des NAC-Transkriptionsfaktors JUNGBRUNNEN1 (JUB1)
N2  - The NAC transcription factor (TF) JUNGBRUNNEN1 (JUB1) is an important negative regulator of plant senescence, as well as of gibberellic acid (GA) and brassinosteroid (BR) biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Overexpression of JUB1 promotes longevity and enhances tolerance to drought and other abiotic stresses. A similar role of JUB1 has been observed in other plant species, including tomato and banana. Our data show that JUB1 overexpressors (JUB1-OXs) accumulate higher levels of proline than WT plants under control conditions, during the onset of drought stress, and thereafter. We identified that overexpression of JUB1 induces key proline biosynthesis and suppresses key proline degradation genes. Furthermore, bZIP63, the transcription factor involved in proline metabolism, was identified as a novel downstream target of JUB1 by Yeast One-Hybrid (Y1H) analysis and Chromatin immunoprecipitation (ChIP). However, based on Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), direct binding of JUB1 to bZIP63 could not be confirmed. Our data indicate that JUB1-OX plants exhibit reduced stomatal conductance under control conditions. However, selective overexpression of JUB1 in guard cells did not improve drought stress tolerance in Arabidopsis. Moreover, the drought-tolerant phenotype of JUB1 overexpressors does not solely depend on the transcriptional control of the DREB2A gene. Thus, our data suggest that JUB1 confers tolerance to drought stress by regulating multiple components. Until today, none of the previous studies on JUB1´s regulatory network focused on identifying protein-protein interactions. We, therefore, performed a yeast two-hybrid screen (Y2H) which identified several protein interactors of JUB1, two of which are the calcium-binding proteins CaM1 and CaM4. Both proteins interact with JUB1 in the nucleus of Arabidopsis protoplasts. Moreover, JUB1 is expressed with CaM1 and CaM4 under the same conditions. Since CaM1.1 and CaM4.1 encode proteins with identical amino acid sequences, all further experiments were performed with constructs involving the CaM4 coding sequence. Our data show that JUB1 harbors multiple CaM-binding sites, which are localized in both the N-terminal and C-terminal regions of the protein. One of the CaM-binding sites, localized in the DNA-binding domain of JUB1, was identified as a functional CaM-binding site since its mutation strongly reduced the binding of CaM4 to JUB1. Furthermore, JUB1 transactivates expression of the stress-related gene DREB2A in mesophyll cells; this effect is significantly reduced when the calcium-binding protein CaM4 is expressed as well. Overexpression of both genes in Arabidopsis results in early senescence observed through lower chlorophyll content and an enhanced expression of senescence-associated genes (SAGs) when compared with single JUB1 overexpressors. Our data also show that JUB1 and CaM4 proteins interact in senescent leaves, which have increased Ca2+ levels when compared to young leaves. Collectively, our data indicate that JUB1 activity towards its downstream targets is fine-tuned by calcium-binding proteins during leaf senescence.
N2  - Der NAC Transkriptionsfaktor (TF) JUNGBRUNNEN1 (JUB1) ist ein wichtiger negativer Regulator der Pflanzenseneszenz, Gibberellinsäure- (GA) und Brassinosteroid- (BR) Biosynthese in Arabidopsis thaliana. Die Überexpression von JUB1 fördert die Langlebigkeit und erhöht die Toleranz gegenüber Trockenheit und anderen abiotischen Belastungen. Bei anderen Pflanzenarten, einschließlich Tomaten und Bananen, wurde eine ähnliche Rolle von JUB1 beobachtet. Unsere Daten zeigen, dass JUB1 Überexpressionslinien  im Vergleich zu WT-Pflanzen sowohl unter Kontrollbedingungen, als auch zu Beginn und während späterer Stadien von Trockenstress größere Mengen an Prolin akkumulieren. Wir haben festgestellt, dass die Überexpression von JUB1 die Schlüsselbiosynthese von Prolin induziert und Schlüsselgene für den Abbau von Prolin unterdrückt. Darüber hinaus wurde bZIP63, ein am Prolinstoffwechsel beteiligter Transkriptionsfaktor, mittels Yeast One-Hybrid-System (Y1H) und Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) als neues nachgeschaltetes Ziel von JUB1 identifiziert. Basierend auf dem Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) konnte die direkte Bindung von JUB1 an bZIP63 jedoch nicht bestätigt werden. Unsere Daten zeigen, dass JUB1-OXs unter Kontrollbedingungen eine niedrigere stomatale Leitfähigkeit aufweisen. Allerdings verbessert eine selektive Überexpression von JUB1 in den Schließzellen die Trockenstresstoleranz bei Arabidopsis nicht. Darüber hinaus hängt der trockenheitstolerante Phänotyp von JUB1 nicht allein von der transkriptionellen Kontrolle des DREB2A-Gens ab. Unsere Daten legen daher nahe, dass JUB1 durch die Regulierung mehrerer Komponenten Toleranz gegenüber Trockenstress verleiht. Bis heute konzentrierte sich keine der bisherigen Studien zum regulatorischen Netzwerk von JUB1 auf die Identifizierung von Protein-Protein-Interaktionen. Wir führten deshalb einen Hefe-Zwei-Hybrid-Screen (Y2H) durch, der mehrere Protein-Interaktoren von JUB1 identifizierte, von denen zwei Calcium-bindende Proteine sind (CaM1 und CaM4). Beide Proteine interagieren mit JUB1 im Kern von Arabidopsis-Protoplasten. Darüber hinaus wird JUB1 mit den CaM1- und CaM4-Genen unter den gleichen Bedingungen exprimiert und kolokalisiert mit den Proteinen im Zellkern von Arabidopsis thaliana-Protoplasten. Unsere Daten zeigen, dass JUB1 mehrere CaM-Bindungsstellen aufweist, die sowohl in der N-terminalen, als auch in der C-terminalen Region des Proteins lokalisiert sind. Eine der CaM-Bindungsstellen, die in der DNA-Bindungsdomäne von JUB1 lokalisiert ist, wurde als funktionelle und aktive CaM-Bindungsstelle identifiziert, da ihre Mutation die Bindung von CaM4 an JUB1 stark reduzierte. Darüber hinaus transaktiviert JUB1 die Expression des stressbezogenen Gens DREB2A in Mesophyllzellen. Dieser Effekt wird deutlich reduziert, wenn auch das Calcium-bindende Protein CaM4 exprimiert wird. Die Überexpression beider Gene in Arabidopsis führt zum frühen Seneszenz-Phänotyp, der durch einen verminderten Chlorophyllgehalt und eine veränderte SAGs-Expression im Vergleich zu einzelnen JUB1-Überexpressoren beobachtet wird. Unsere Daten zeigen auch, dass JUB1- und CaM4-Proteine in den seneszenten Blättern, die im Vergleich zu jungen Blättern erhöhte Ca2+-spiegel aufweisen, interagieren. Zusammenfassend weisen unsere Daten darauf hin, dass während der Blattseneszenz die Aktivität von JUB1 gegenüber seinen nachgeschalteten Zielen durch die Calcium-bindenden Proteine fein abgestimmt wird.
KW  - transcription factor
KW  - senescence
KW  - calmodulin
KW  - JUB1
KW  - CaM4
KW  - drought stress
KW  - CaM4
KW  - JUB1
KW  - calmodulin
KW  - Trockenstress
KW  - Seneszenz
KW  - Transkriptionsfaktor
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-547310
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wegerich, Franziska
T1  - Engineered human cytochrome c : investigation of superoxide and protein-protein interaction and application in bioelectronic systems
T1  - Gentechnisch verändertes humanes Cytochrom c :Untersuchungen von Superoxid und Protein-Protein-Interaktionen sowie der Anwendung in bioelektronischen Systemen
N2  - The aim of this thesis is the design, expression and purification of human cytochrome c mutants and their characterization with regard to electrochemical and structural properties as well as with respect to the reaction with the superoxide radical and the selected proteins sulfite oxidase from human and fungi bilirubin oxidase. All three interaction partners are studied here for the first time with human cyt c and with mutant forms of cyt c. A further aim is the incorporation of the different cyt c forms in two bioelectronic systems: an electrochemical superoxide biosensor with an enhanced sensitivity and a protein multilayer assembly with and without bilirubin oxidase on electrodes. The first part of the thesis is dedicated to the design, expression and characterization of the mutants. A focus is here the electrochemical characterization of the protein in solution and immobilized on electrodes. Further the reaction of these mutants with superoxide was investigated and the possible reaction mechanisms are discussed. In the second part of the work an amperometric superoxide biosensor with selected human cytochrome c mutants was constructed and the performance of the sensor electrodes was studied. The human wild-type and four of the five mutant electrodes could be applied successfully for the detection of the superoxide radical. In the third part of the thesis the reaction of horse heart cyt c, the human wild-type and seven human cyt c mutants with the two proteins sulfite oxidase and bilirubin oxidase was studied electrochemically and the influence of the mutations on the electron transfer reactions was discussed. Finally protein multilayer electrodes with different cyt form including the mutant forms G77K and N70K which exhibit different reaction rates towards BOD were investigated and BOD together with the wild-type and engineered cyt c was embedded in the multilayer assembly. The relevant electron transfer steps and the kinetic behavior of the multilayer electrodes are investigated since the functionality of electroactive multilayer assemblies with incorporated redox proteins is often limited by the electron transfer abilities of the proteins within the multilayer. The formation via the layer-by-layer technique and the kinetic behavior of the mono and bi-protein multilayer system are studied by SPR and cyclic voltammetry. In conclusion this thesis shows that protein engineering is a helpful instrument to study protein reactions as well as electron transfer mechanisms of complex bioelectronic systems (such as bi-protein multilayers). Furthermore, the possibility to design tailored recognition elements for the construction of biosensors with an improved performance is demonstrated.
N2  - Ziel dieser Arbeit ist es genetisch veränderte Formen von humanem Cytochrom c herzustellen und diese einerseits hinsichtlich der Reaktion mit dem Sauerstoff-Radikal Superoxid aber auch mit anderen Proteinen zu untersuchen. Zusätzlich sollen die verschiedenen Protein-Mutanten in neuartige bioelektronische Systeme eingebracht werden. Es wurden insgesamt 20 Cytochrome c Mutanten designt, rekombinant exprimiert und aufgereinigt. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die Reaktion von Cytochrom c mit dem negativ geladenen Superoxid durch gezielte Mutationen, die zusätzliche positive Ladungen in das Molekül bringen, um bis zu 30 % erhöhen lässt. Es wurde aber auch deutlich, dass andere Eigenschaften des Proteins sowie dessen Struktur durch die Mutationen geändert werden können. Cytochrom c Mutanten mit einer erhöhten Reaktionsrate mit Superoxid konnten erfolgreich in einen Superoxid-Biosensor mit erhöhter Sensitivität eingebracht werden. Weiterhin wurde einige Mutanten hinsichtlich Ihrer Interaktion mit den zwei Enzymen Sulfitoxidase und Bilirubinoxidase untersucht. Hier konnten ebenfalls unterschiedliche Reaktivitäten festgestellt werden. Schließlich wurden ausgewählte Protein-Varianten mit und ohne den zuvor untersuchten Enzymen in ein Multischicht-Elektroden-System eingebettet und dessen kinetisches Verhalten untersucht. Es wurde gefunden, dass die Schnelligkeit mit der Cytochrom c mit sich selbst Elektronen austauschen kann, eine Limitierung der Größenordnung der katalytischen Ströme darstellt. Diese Selbstaustausschrate wurde durch die eingeführten Mutationen verändert. So verdeutlicht diese Arbeit, dass „Protein-Engineering“ ein gutes Hilfsmittel sein kann, um einerseits Proteinreaktionen und komplexe Elektronentransferreaktionen in Multischichten zu untersuchen, aber auch ein potentes Werkzeug darstellt mit dem zugeschnittene Biokomponenten für Sensoren mit erhöhter Leistungsfähigkeit generiert werden können.
KW  - Cytochrom c
KW  - Protein-Engineering
KW  - Elektrochemie
KW  - Biosensor
KW  - Superoxid
KW  - cytochrome c
KW  - protein engineering
KW  - electrochemistry
KW  - biosensor
KW  - superoxide
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50782
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wasiolka, Bernd
T1  - The impact of overgrazing on reptile diversity and population dynamics of Pedioplanis l. lineoocellata in the southern Kalahari
T1  - Der Einfluss von Überweidung auf Reptiliendiversität und die Poplationsdynamik von Pedioplanis l. lineoocellata in der südlichen Kalahari
N2  - Die Vegetationskomposition und –struktur, beispielsweise die unterschiedliche Architektur von Bäumen, Sträuchern, Gräsern und Kräutern, bietet ein großes Spektrum an Habitaten und Nischen, die wiederum eine hohe Tierdiversität in den Savannensystemen des südlichen Afrikas ermöglichen. Dieses Ökosystem wurde jedoch über Jahrzehnte weltweit durch intensive anthropogene Landnutzung (z.B. Viehwirtschaft) nachhaltig verändert. Dabei wurden die Zusammensetzung, Diversität und Struktur der Vegetation stark verändert. Überweidung in Savannensystemen führt zu einer Degradation des Habitates einhergehend mit dem Verlust von perennierenden Gräsern und krautiger Vegetation. Dies führt zu einem Anstieg an vegetationsfreien Bodenflächen. Beides, sowohl der Verlust an perennierenden Gräsern und krautiger Vegetation sowie der Anstieg an vegetationsfreien Flächen führt zu verbesserten Etablierungsbedingungen für Sträucher (z.B. Rhigozum trichotomum, Acacia mellifera) und auf lange Sicht zu stark verbuschten Flächen. Die Tierdiversität in Savannen ist hiervon entscheidend beeinflusst. Mit sinkender struktureller Diversität verringert sich auch die Tierdiversität. Während der Einfluss von Überweidung auf die Vegetation relativ gut untersucht ist sind Informationen über den Einfluss von Überweidung auf die Tierdiversität, speziell für Reptilien, eher spärlich vorhanden. Zusätzlich ist sehr wenig bekannt zum Einfluss auf die Populationsdynamik (z.B. Verhaltensanpassungen, Raumnutzung, Überlebensrate, Sterberate) einzelner Reptilienarten. Ziel meiner Doktorarbeit ist es den Einfluss von Überweidung durch kommerzielle Farmnutzung auf die Reptiliengemeinschaft und auf verschiedene Aspekte der Populationsdynamik der Echse Pedioplanis lineoocellata lineoocellata zu untersuchen. Hinsichtlich bestimmter Naturschutzmaßnahmen ist es einerseits wichtig zu verstehen welchen Auswirkungen Überweidung auf die gesamte Reptiliengemeinschaft hat. Und zum anderen wie entscheidende Faktoren der Populationsdynamik beeinflusst werden. Beides führt zu einem besseren Verständnis der Reaktion von Reptilien auf Habitatdegradation zu erlangen. Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen eindeutig einen negativen Einfluss der Überweidung und der daraus resultierende Habitatdegradation auf (1) die gesamte Reptiliengemeinschaft und (2) auf einzelne Aspekte der Populationsdynamik von P. lineoocellata. Im Teil 1 wird die signifikante Reduzierung der Reptiliendiversität und Abundanz in degradierten Habitaten beschrieben. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass P. lineoocellata das Verhalten an die verschlechterten Lebensbedingungen anpassen kann. Die Art bewegt sich sowohl häufiger als auch über einen längeren Zeitraum und legt dabei größere Distanzen zurück. Zusätzlich vergrößerte die Art ihr Revier (home range) (Teil 3). Im abschließenden Teil wird der negative Einfluss von Überweidung auf die Populationsdynamik von P. lineoocellata beschrieben: In degradierten Habitaten nimmt die Populationsgröße von adulten und juvenilen Echsen ab, die Überlebens- und Geburtenrate sinken, währen zusätzlich das Prädationsrisiko ansteigt. Verantwortlich hierfür ist zum einen die ebenfalls reduzierte Nahrungsverfügbarkeit (Arthropoden) auf degradierten Flächen. Dies hat zur Folge, dass die Populationsgröße abnimmt und die Fitness der Individuen verringert wird, welches sich durch eine Reduzierung der Überlebens- und Geburtenrate bemerkbar macht. Und zum anderen ist es die Reduzierung der Vegetationsbedeckung und der Rückgang an perennierenden Gräsern welche sich negativ auswirken. Als Konsequenz hiervon gehen Nischen und Mikrohabitate verloren und die Möglichkeiten der Reptilien zur Thermoregulation sind verringert. Des Weiteren hat dieser Verlust an perennierender Grasbedeckung auch ein erhöhtes Prädationsrisikos zur Folge. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nicht nur Bäume und Sträucher, wie in anderen Studien gezeigt, eine bedeutende Rolle für die Diversität spielen, sondern auch das perennierende Gras eine wichtige Rolle für die Faunendiversität spielt. Weiterhin zeigte sich, dass Habitatdegradation nicht nur die Population als gesamtes beeinflusst, sondern auch das Verhalten und Populationsparameter einzelner Arten. Des Weiteren ist es Reptilien möglich durch Verhaltensflexibilität auf verschlechterte Umweltbedingen zu reagieren.
N2  - In semi-arid savannah ecosystems, the vegetation structure and composition, i.e. the architecture of trees, shrubs, grass tussocks and herbaceous plants, offer a great variety of habitats and niches to sustain animal diversity. In the last decades intensive human land use practises like livestock farming have altered the vegetation in savannah ecosystems worldwide. Extensive grazing leads to a reduction of the perennial and herbaceous vegetation cover, which results in an increased availability of bare soil. Both, the missing competition with perennial grasses and the increase of bare soils favour shrub on open ground and lead to area-wide shrub encroachment. As a consequence of the altered vegetation structure and composition, the structural diversity declines. It has been shown that with decreasing structural diversity animal diversity decline across a variety of taxa. Knowledge on the effects of overgrazing on reptiles, which are an important part of the ecosystem, are missing. Furthermore, the impact of habitat degradation on factors of a species population dynamic and life history, e.g., birth rate, survival rate, predation risk, space requirements or behavioural adaptations are poorly known. Therefore, I investigated the impact of overgrazing on the reptile community in the southern Kalahari. Secondly I analysed population dynamics and the behaviour of the Spotted Sand Lizard, Pedioplanis l. lineoocellata. All four chapters clearly demonstrate that habitat degradation caused by overgrazing had a severe negative impact upon (i) the reptile community as a whole and (ii) on population parameters of Pedioplanis l. lineoocellata. Chapter one showed a significant decline of regional reptile diversity and abundance in degraded habitats. In chapter two I demonstrated that P. lineoocellata moves more frequently, spends more time moving and covers larger distances in degraded than in non-degraded habitats. In addition, home range size of the lizard species increases in degraded habitats as shown by chapter three. Finally, chapter four showed the negative impacts of overgrazing on several population parameters of P. lineoocellata. Absolute population size of adult and juvenile lizards, survival rate and birth rate are significantly lower in degraded habitats. Furthermore, the predation risk was greatly increased in degraded habitats. A combination of a variety of aspects can explain the negative impact of habitat degradation on reptiles. First, reduced prey availability negatively affects survival rate, the birth rate and overall abundance. Second, the loss of perennial plant cover leads to a loss of niches and to a reduction of opportunities to thermoregulate. Furthermore, a loss of cover and is associated with increased predation risk. A major finding of my thesis is that the lizard P. lineoocellata can alter its foraging strategy. Species that are able to adapt and change behaviour, such as P. lineoocellata can effectively buffer against changes in their environment. Furthermore, perennial grass cover can be seen as a crucial ecological component of the vegetation in the semi-arid savannah system of the southern Kalahari. If perennial grass cover is reduced to a certain degree reptile diversity will decline and most other aspects of reptile life history will be negatively influenced. Savannah systems are characterised by a mixture of trees, shrubs and perennial grasses. These three vegetation components determine the composition and structure of the vegetation and accordingly influence the faunal diversity. Trees are viewed as keystone structures and focal points of animal activity for a variety of species. Trees supply animals with shelter, shade and food and act as safe sites, nesting sites, observation posts and foraging sites. Recent research demonstrates a positive influence of shrub patches on animal diversity. Moreover, it would seem that intermediate shrub cover can also sustain viable populations in savannah landscapes as has been demonstrated for small carnivores and rodent species. The influence of perennial grasses on faunal diversity did not receive the same attention as the influence of trees and shrubs. In my thesis I didn’t explicitly measure the direct effects of perennial grasses but my results strongly imply that it has an important role. If the perennial grass cover is significantly depleted my results suggest it will negatively influence reptile diversity and abundance and on several populations parameters of P. lineoocellata. Perennial grass cover is associated with the highest prey abundance, reptile diversity and reptile abundance. It provides reptiles both a refuge from predators and opportunities to optimise thermoregulation. The relevance of each of the three vegetation structural elements is different for each taxa and species. In conclusion, I can all three major vegetation structures in the savannah system are important for faunal diversity.
KW  - Shrub encroachment
KW  - overgrazing
KW  - biodiversity
KW  - reptiles
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16611
ER  - 
TY  - THES
A1  - Walter, Monika
T1  - Die parallele beta-Helix der Pektat-Lyase aus Bacillus subtilis : Stabilität, Faltungsmechanismus und Faltungsmutanten
N2  - Die Pektat-Lyasen gehören zu einer Proteinfamilie, die meistens von pflanzenpathogenen Mikroorganismen sekretiert werden. Die Enzyme katalysieren den Abbau von Polygalakturonsäure, einem Hauptbestandteil in  pflanzlichen Mittellamellen und Primärzellwänden. Der Abbau der alpha-1,4-verbrückten Galakturonsäurereste erfogt durch eine beta-Eliminierungsreaktion, dabei entsteht ein Produkt mit einer ungesättigten C4-C5 Bindung am nicht reduzierenden Ende, das durch spektroskopische Messungen beobachtet werden kann. Für die enzymatische Reaktion der Pektat-Lyasen ist Calcium nötig und das pH-Optimum der Reaktion liegt bei pH 8.5. Alle bis jetzt bekannten Strukturen der Pektat- und Pektin-Lyasen haben das gleiche Strukturmotiv - eine rechtsgängige parallele beta-Helix. Die Struktur der Pektat-Lyase aus Bacillus subtilis (BsPel) ist im Komplex mit Calcium gelöst worden. BsPel ist ein monomeres Protein mit einer ungefähren Molekularmasse von 43 kDa, das keine Disulfidbrücken enthält. Dies erlaubte sowohl eine effiziente rekombinante Expression des Wildtypproteins, als auch von destabilisierten Mutanten im Cytoplasma von E. coli. Parallele beta-Helices sind relativ große, jedoch verhältnismäßig einfach aufgebaute Proteine. Um detailliertere Informationen über die kritischen Schritte bei der in vitro-Faltung von parallelen beta-Helices zu erhalten, sollte in der vorliegenden Arbeit versucht werden, den Faltungsmechanismus dieses Proteins näher zu charakterisieren. Dabei sollte vor allem die Frage geklärt werden, welche Wechselwirkungen für die Stabilität dieses Proteins einerseits und für die Stabilität von essentiellen Faltungsintermediaten andererseits besonders wichtig sind.<BR>Rückfaltung von BsPel, ausgehend vom guanidiniumchlorid-denaturierten Zustand, war bei kleinen Proteinkonzentrationen und niedrigen Temperaturen vollständig möglich. GdmCl-induzierte Faltungsübergänge waren aber nicht reversibel und zeigten eine apparente Hysterese. Kinetische Messungen des Fluoreszenz- und CD-Signals im fernen UV ergaben eine extreme Denaturierungsmittelabhängigkeit der Rückfaltungsrate im Bereich des Übergangmittelpunktes. Der extreme Abfall der Rückfaltungsraten mit steigender Denaturierungsmittelkonzentration kann als kooperative  Entfaltung eines essentiellen Faltungsintermediats verstanden werden. Dieses Faltungsintermediat ist temperaturlabil und kann durch den Zusatz Glycerin im Renaturierungspuffer stabilisiert werden, wobei sich die Hysterese verringert, jedoch nicht vollständig aufgehoben wird. Durch reverse Doppelsprungexperimente konnten zwei transiente Faltungsintermediate nachgewiesen werden, die auf zwei parallelen Faltungswegen liegen und beide zum nativen Zustand weiterreagieren können. Fluoreszenzemissionsspektren der beiden Intermediate zeigten, daß beide schon nativähnliche Struktur aufweisen. Kinetische Daten von Prolin-Doppelsprungexperimenten zeigten, daß Prolinisomerisierung den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in der Reaktivierung des denaturierten Enzyms darstellt. Desweiteren konnte durch Prolin-Doppelsprungexperimenten an Mutanten mit Substitutionen im Prolinrest 281 gezeigt werden, daß die langsame Renaturierung von BsPel nicht durch die Isomerisierung der einzigen cis-Peptidbindung an Prolin 281 verursacht wird, sondern durch die Isomerisierung mehrerer trans-Proline. Die beiden beobachteten transienten Faltungsintermediate sind somit wahrscheinlich zwei Populationen von Faltungsintermediaten mit nicht-nativen X-Pro-Peptidbindungen, wobei sich die Populationen durch mindestens eine nicht-native X-Pro-Peptidbindung unterscheiden.<BR>Der Austausch des Prolinrestes 281 gegen verschiedene Aminosäuren (Ala, Ile, Leu, Phe, Gly) führte zu einer starken Destabilisierung des nativen Proteins und daneben auch zu einer Reduktion in der Aktivität, da die Mutationsstelle in der Nähe der putativen Substratbindetasche liegt. Die Rückfaltungskinetiken der Prolinmutanten war bei 10&#176;C annähernd gleich zum Wildtyp und die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte der Faltung waren durch die Mutation nicht verändert. Die durch die Mutation verursachte drastische Destabilisierung des nativen Zustands führte zu einem reversiblen Entfaltungsgleichgewicht bei pH 7 und 10&#176;C. GdmCl-induzierte Faltungsübergänge der Mutante P281A zeigten bei Messungen der Tryptophanfluoreszenzemission und der Aktivität einen kooperativen Phasenübergang mit einem Übergangsmittelpunkt bei 1.1 M GdmCl. Durch die Übereinstimmung der Faltungsübergänge bei beiden Messparametern konnten die Faltungsübergänge nach dem Zwei-Zustandsmodell ausgewertet werden. Dabei wurde eine freie Sabilisierungsenthalpie der Faltung für die Mutante von <nobr>-&nbsp;64.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.4&nbsp;kJ/mol</nobr> und eine Kooperativität des Übergangs  von <nobr>-&nbsp;58.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.3&nbsp;kJ/(mol&#183;M)</nobr> bestimmt.<BR>  BsPel enthält, wie die meisten monomeren rechtsgängigen parallelen beta-Helix-Proteine, einen internen Stapel wasserstoffverbrückter Asparagin-Seitenketten. Die Mehrheit der erzeugten Mutanten mit Substitutionen im Zentrum der Asn-Leiter (N271X) waren als enzymatisch aktives Protein zugänglich. Die Auswirkung der Mutation auf die Stabilität und Rückfaltung wurde an den Proteinen BsPel-N271T und BsPel-N271A näher analysiert. Dabei führte die Unterbrechung des Asparaginstapels im Inneren der beta-Helix zu keiner drastischen Destabilisierung des nativen Proteins. Allerdings führten diese Mutationen zu einem temperatur-sensitiven Faltungsphänotyp und die Hysterese im Denaturierungsübergang wurde verstärkt. Offenbar wird durch die Unterbrechung des Asparaginstapel ein essentielles, thermolabiles Faltungsintermediat destabilisiert. Der Asparaginstapel wird somit bei der Faltung sehr früh ausgebildet und ist wahrscheinlich schon im Übergangszustand vorhanden.
N2  - Pectate lyases belong to a family of proteins secreted by plant pathogenic microbes. The enzymes cleave alpha-1,4 linked galacturonic acid by a beta-elimination that results in an unsaturated product, which can be quantified spectrophotometrically. Calcium is essential for the activity and the pH-optimum is near 8.5. All known structures of pectate and pectin lyases have the same structural motif - a right handed parallel beta-helix. The structure of pectate lyase from Bacillus subtilis (BsPel) has been solved in complex with calcium. It is a monomeric protein, with a molecular mass of about 43 kDa and without disulfide bonds. This allows its high-yield recombinant expression in the cytoplasm of Escherichia coli. Parallel beta-helices are relative large proteins, however with a simple folding topology. The objective of this work was to characterize the folding mechanism of BsPel. In particular we investigated the role of the interactions of certain residues in the parallel beta-helix for the stability of the native protein and the stability of essential folding intermediates.  Refolding of BsPel was possible at low protein concentrations and low temperature. However, denaturation of BsPel was not freely reversible. De- and renaturation curves showed a large apparent hysteresis. Furthermore, the folding rate constant deduced from fluorescence and circulardichroism measurements showed a very strong dependence on denaturant concentrations near the midpoint of the renaturation transition. This can be explained with a cooperative unfolding of an essential folding intermediate. Upon stabilisation of the temperature-sensitive intermediate by addition of glycerol in the renaturation buffer, the hysteresis is reduced, but does not disappear. Reverse double mixing kinetic experiments have shown that two transient folding intermediates are on the folding pathway. These intermediates are on parallel pathways and both can fold to the native state. Fluorescence emission spectra have shown the native-like structure of both intermediates. Furthermore, data from proline double mixing kinetic experiments revealed that isomerization of peptidyl-prolyl bonds was responsible for the slow kinetics in the reactivation of the enzyme. However, the isomerization of the single cis-peptidyl-prolyl bond at Pro281 was not responsible for the slowest folding phase observed, but rather the isomerization of other trans-peptidyl-prolyl bonds. Thus, both transient folding intermediates observed probably represent two populations of folding intermediates with non-native X-Pro-peptide bonds. The difference of the two populations is at least one non-native X-Pro-peptide bond.  Mutations of the proline 281 against various residues (Ala, Ile, Leu, Phe, Gly) resulted in a strong destabilization of the native protein. Also, the activity of the mutant proteins was strong reduced due to the position of the mutation site near the putative active center of the protein. At 10&#176;C the kinetic folding behavior of the proline mutants was not significant changed. However, the strong destabilization of the native state in the proline mutants resulted in a reversible folding equilibrium at pH 7 and 10&#176;C. The unfolding of the P281A mutant was reversible as determined by fluorescence emission and enzyme activity measurements. The coincidence of these detected transitions is consistent with a two-state equilibrium transition. At pH 7 and 10&#176;C the delta G&#176;(H2O) for folding of P281A was <nobr>-&nbsp;64.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.4&nbsp;kJ/mol,</nobr> with a midpoint of the transition at 1.1 M GdmCl and a cooperativity of <nobr>-&nbsp;58.2&nbsp;&#177;&nbsp;0.3&nbsp;kJ/(mol&#183;M).</nobr>  BsPel has an asparagine ladder in turn 2 of the parallel beta-helix with extensive network of side-chain hydrogen bonds between the Asn residues. Such an Asn-ladder is a conserved feature of many monomeric beta-helices crystallized so far. The middle Asn residue (271) was selected and exchanged for various residues. Most of the mutants were expressed at 25&#176;C as soluble and active proteins but with a significant reduction in yield. Mutants N271T and N271A were selected to study the stability and refolding of these proteins in comparison with the wild-type protein. The substitution in the Asn-ladder did not drastically destabilize the native protein, but caused a temperature-sensitive-folding (tsf) phenotype with an increased hysteresis in the de- and renaturation transition curves. In addition, the disruption of the Asn-ladder resulted in destabilization of an essential, thermosensitive folding intermediate. Thus, the Asn-ladder is formed very early during the folding, probably well before the transition state of folding.
KW  - Heubacillus ; Pectat-Lyase ; Helix <beta->
KW  - apparente Hysterese
KW  - parallele rechtsgängige beta-Helix
KW  - Pektat-Lyase
KW  - Peptidyl-Prolyl-cis-trans Isomerisierung
KW  - Proteinfaltung
KW  - temperatur-sensitive
KW  - apparent hysteresis
KW  - cis-trans isomerisation of prolyl-peptide bonds
KW  - parallel beta-helix
KW  - pectate lyase
KW  - protein folding
KW  - temperature sensitive foldi
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000588
ER  - 
TY  - THES
A1  - Voß, Martin
T1  - Regulation der vakuolären H(+)-ATPase durch reversible Proteinphosphorylierung
T1  - Regulation of the vacuolar H(+)-ATPase by reversible protein phosphorylation
N2  - Die vakuoläre Protonen-ATPase, kurz V-ATPase, ist ein multimerer Enzymkomplex, der in fast jeder eukaryotischen Zelle zu finden ist und den aktiven elektrogenen Transport von Protonen über Membranen katalysiert. Die Aktivität der V-ATPase ist essentiell für eine Vielzahl physiologischer Prozesse. Ein grundlegender Mechanismus zur Regulation der V-ATPase-Aktivität ist die reversible Dissoziation des Holoenzyms in den integralen VO-Komplex, der als Protonenkanal dient, und den cytosolischen V1-Komplex, der ATP hydrolysiert und somit den Protonentransport energetisiert. Die Untereinheit C, die im dissoziierten Zustand der V-ATPase als einzige Untereinheit isoliert im Cytoplasma vorliegt, scheint bei der Bildung des aktiven Holoenzyms eine Schlüsselrolle zu übernehmen. In den Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina ist die V-ATPase an der Speichelsekretion beteiligt. In den sekretorischen Zellen wird die Bildung des V-ATPase-Holoenzyms in der apikalen Plasmamembran durch das Neurohormon Serotonin (5-HT) stimuliert. Der Effekt von 5-HT auf die V-ATPase wird intrazellulär durch die Proteinkinase A (PKA) vermittelt und hält nur für die Dauer der Stimulierung an. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels Phosphoproteinfärbungen und 2D-Elektrophorese nachgewiesen, dass infolge einer Stimulierung der Drüsenzellen mit 5-HT die Untereinheit C der V-ATPase durch die PKA reversibel phosphoryliert wird. Die Phosphorylierung geht einher mit einer Umverteilung der Untereinheit C aus dem Cytoplasma zur apikalen Plasmamembran und der Bildung des aktiven Holoenzyms. Immuncytochemische Untersuchungen zeigten, dass die katalytische Untereinheit der PKA ebenfalls umverteilt wird und in stimulierten Zellen im Bereich der apikalen Plasmamembran konzentriert vorliegt. Um herauszufinden welche Proteinphosphatase der PKA entgegenwirkt, wurden luminale pH-Messungen durchgeführt und der Effekt von spezifischen Proteinphosphatase-Inhibitoren und veresterten Komplexbildnern zweiwertiger Kationen auf die V-ATPase-Aktivität untersucht. Diese Messungen führten zu der Schlussfolgerung, dass eine Proteinphosphatase des Typs 2C an der Inaktivierung der V-ATPase beteiligt ist. Mit weiteren Phosphoproteinfärbungen konnte gezeigt werden, dass die Dephosphorylierung der Untereinheit C ebenfalls durch eine Proteinphosphatase 2C katalysiert wird und dies vermutlich die Dissoziation des VO- und V1-Komplexes begünstigt. Darüber hinaus konnte durch luminale pH-Messungen und ergänzende biochemische Untersuchungen eine Calcineurin-vermittelte Modulation des cAMP/PKA-Signalweges durch den parallel aktivierten IP3/Ca2+-Signalweg und damit einhergehend eine Beeinflussung der V-ATPase-Aktivität durch den [Ca2+]-Spiegel nachgewiesen werden.
N2  - The vacuolar-type H+-ATPase (V-ATPase) is a multimeric enzyme that can be found in nearly every eukaryotic cell. It catalyses the active electrogenic transport of protons across membranes and is essential for a multitude of physiological processes. A fundamental mechanism to regulate V-ATPase activity is the reversible dissociation of the holoenzyme into an integral proton conducting VO-complex and a cytosolic V1-complex that hydrolyses ATP and thus energises proton translocation. Subunit C occurs isolated in the cytoplasm upon dissociation of the V-ATPase complexes and seems to be critical for the formation of active holoenzymes. In the salivary glands of the blowfly Calliphora vicina the V-ATPase is involved in fluid secretion. In secretory cells, formation of the V-ATPase holoenzyme is stimulated by the hormone serotonin (5-HT). The effect of 5-HT on V-ATPase activity is mediated by protein kinase A (PKA) and persists for the duration of the 5-HT stimulus. In this study, it was shown by phosphoprotein stainings and two-dimensional electrophoresis that subunit C of the V-ATPase becomes phosphorylated by PKA upon exposure of blowfly salivary glands to 5-HT. Parallel to the phosphorylation event, subunit C translocates from the cytoplasm to the apical plasma membrane for the assembly of active V-ATPase holoenzymes. Using immunofluorescence staining, it could be shown that PKA catalytic subunit translocates as well to the apical membrane upon 5-HT stimulation. To examine which protein phosphatase counteracts PKA, luminal pH-measurements were carried out. Based on the results with protein phosphatase inhibitors and esterified chelating agents of bivalent cations, it may be concluded that a protein phosphatase 2C is involved in the process leading to V-ATPase inactivation. Phosphoprotein stainings revealed that dephosphorylation of subunit C is likewise catalysed by a protein phosphatase 2C. Therefore the dephosphorylation of subunit C seems to promote dissociation of VO- and V1-complexes. Finally, luminal pH-measurements and supplemental biochemical experiments revealed a Ca2+/calcineurin-mediated modulation of the cAMP/PKA signalling cascade and an influence of intracellular calcium on the V-ATPase activity.
KW  - V-ATPase
KW  - PKA
KW  - Proteinphosphorylierung
KW  - Proteinphosphatasen
KW  - V-ATPase
KW  - PKA
KW  - protein phosphorylation
KW  - protein phosphatases
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19617
ER  - 
TY  - THES
A1  - Voss, Insa
T1  - Die Bedeutung der Paarbindung für das Fortpflanzungspotential von Papageienvögeln (Psittaciformes) : vergleichende Untersuchung zu Hormonstatus und Verhalten
T1  - The relevance of pair bonding for reproductive potential in parrots (Psittaciformes) : comparative study on hormonal state and behaviour
N2  - Zum Erhalt vom Aussterben bedrohter Papageienvögel (Psittaciformes) ist die Nachzucht in Menschenobhut neben dem Erhalt freilebender Populationen von großer Bedeutung, die Reproduktion bestimmter Arten gelingt allerdings nur unzureichend. Als Hauptgrund dafür gilt die Zwangsverpaarung im Rahmen von Zuchtprogrammen (Beispiel: Europäisches Erhaltungszuchtprogramm, EEP), hier werden Brutpaare hauptsächlich nach genetischen Aspekten zusammengestellt. Der reproduktive Erfolg ist bei den meisten Papageienarten, die in dauerhaften Paarbindungen leben (perennial monogamy), eng der Paarbindung korreliert. Eine freie Partnerwahl ist demnach von großer Bedeutung für die Zucht in Menschenobhut, im Rahmen von Erhaltungszuchtprogrammen jedoch nur selten möglich. Das Ziel der Untersuchung war, eine wissenschaftlich begründete Methode zu entwickeln, durch die es möglich sein soll, das Fortpflanzungspotential von Brutpaaren der Gattung Ara anhand der Paarbindung zu bestimmen. Dafür wurde die Bedeutung der Qualität der Paarbindung der Brutpaare für den Lebens-Reproduktionserfolg (Lifetime-reproductive success, LRS) untersucht. Die Datenaufnahme erfolgte in dem Zuchtzentrum 'La Vera' der Loro Parque Fundación auf Teneriffa/ Spanien. Hier wurden in den Jahren 2006 und 2007 21 Brutpaare der Gattung Ara untersucht. Die Paarbindung wurde zum Einen durch typisches Paarbindungsverhalten und zum Anderen durch die physiologische Abstimmung der einzelnen Brutpaare anhand der Ausschüttung des Steroidhormons Testosteron dargestellt. Das Paarbindungsverhalten setzte sich aus der ‚Abstimmung der Tagesaktivität’, dem ‚Kontaktverhalten’ und den ‚sozialen Interaktionen’ zusammen. Zur Abstimmung der Tagesaktivität zählten die Verhaltensweisen Ruhen, Sitzen, Nahrungsaufnahme, Gefiederpflege, Beschäftigung und Lokomotion. Unter Kontaktverhalten wurden das Überschreiten der Individualdistanz bei bestimmten Verhaltensweisen und die Rollenverteilung der Geschlechter untersucht. Unter ‚sozialen Interaktionen’ wurden die Dauer und der Häufigkeit der sozialen Gefiederpflege und der Sozialen Index zusammengefasst. Bei der sozialen Gefiederpflege wurde die Dauer und die Häufigkeit der Phasen erhoben, sowie der jeweilige Initiator dieser Interaktion. Zusätzlich wurde untersucht, welches Geschlecht, wie häufig und mit welcher Dauer aktiv an der sozialen Gefiederpflege beteiligt war. Aus den Beobachtungen wurde der soziale Index berechnet, der angibt, wie das Verhältnis sozio-positiver zu agonistischen Interaktionen für jedes Individuum, sowie das Paar an sich ist. Zur Messung der Testosteron-Ausschüttung der Partnertiere wurden von September bis November 2007 über einen Zeitraum von 9 Wochen jede Woche einmal für jedes Individuum Kotproben gesammelt. Mit der Analyse der Proben wurde das Veterinär-Physiologisch-Chemische-Institut der Universität Leipzig unter der Leitung von Prof. Dr. Almuth Einspanier beauftragt. Zur Ermittlung des Hormongehalts in den gewonnenen Kotproben diente ein kompetitiver Doppelantikörper-Enzymimmunoassay (EIA). Das Fortpflanzungspotential wurde über die Anzahl der Eier, Gelege und Jungtiere, sowie über die Gelegegröße dargestellt. Diese Daten geben, bezogen auf die Dauer der Paarbindung, Auskunft über die Produktivität eines Brutpaares, anhand dessen zusätzlich ein Produktivitäts-Koeffizient berechnet wurde. Des weiteren sollte die Anzahl der von einem Brutpaar selbständig großgezogenen Jungtiere Auskunft über die Fähigkeit zur kooperativen Jungenaufzucht geben. Zur Untersuchung der Bedeutung der Paarbindungsqualität wurden Diskriminanzfunktionsanalysen und Regressionsanalysen durchgeführt, wozu die untersuchten Brutpaare anhand ihres Fortpflanzungspotentials in verschiedene Gruppen eingeteilt wurden. Anhand der Ergebnisse der Studie konnte gezeigt werden, dass das Fortpflanzungspotential von Brutpaaren von verschiedenen Kriterien, die die Paarbindungsqualität charakterisieren, abhängt. Dabei ist zwischen der Produktivität und der Fähigkeit zur kooperativen Jungenaufzucht zu unterscheiden. Die Produktivität eines Paares wurde hinsichtlich der abgestimmten Tagesaktivität positiv vom synchronen Ruhen mit dem Partner beeinflusst, sowie von der Häufigkeit und Dauer der vom Weibchen ausgehenden sozialen Gefiederpflege. Brutpaare mit hoher Produktivität waren zudem über eine hohe ‚intra-Paar Fluktuation’ des Steroidhormons Testosteron gekennzeichnet. Die Brutpaare, die in der Lage sind, ihre Jungtiere in Kooperation großzuziehen, zeigten ebenfalls einen hohen Anteil zeitlich mit dem Partner abgestimmter Ruhephasen, zudem häufiges Ruheverhalten in Körperkontakt zum Partner und ein hohes zeitliches Investment der Männchen bei der Initiierung und Durchführung sozialer Gefiederpflege. Darüber hinaus zeigten Männchen, die einen Beitrag zur kooperativen Jungenaufzucht leisten, eine wesentlich geringere durchschnittliche Testosteron-Konzentration – bezogen auf den Untersuchungszeitraum, als Männchen, die Brutpaaren angehören, die nicht zur selbständigen Jungenaufzucht fähig sind. Dieses Ergebnis spiegelt die Bedeutung von Testosteron bei der elterlichen Fürsorge wider und bietet einen Anhaltspunkt für weitere Untersuchungen. Die Untersuchung konnte zeigen, dass es möglich und sinnvoll ist, das individuelle Verhalten von Tieren in Menschenobhut für den Erhalt bedrohter Tierarten einzusetzen. Weitere, auf dieser Studie aufbauende Untersuchungen sollten zum Ziel haben, zuverlässig die Brutpaare erkennbar zu machen, die über ein gutes Fortpflanzungspotential verfügen. Auf diese Weise kann unzureichender Reproduktionserfolg bedrohter Papageienarten in Menschenobhut infolge von Zwangsverpaarung minimiert werden.
N2  - In addition to preserve wild populations, captive breeding of certain species is important for the conservation of endangered parrots (Psittaciformes). However, captive breeding of parrot species is rarely successful. The main reason for this failure is that forced pairings are applied under the context of breeding programs such as European Endangered Species Program, EEP, in which breeding pairs are primarily selected under genetic aspects. Bond quality affects the reproductive success of most perennial monogamous parrot species significantly. A free mate selection is therefore important for successful breeding in captivity; however, it is hard to achieve as a part of conservation breeding programs. The aim of this study is to develop a scientific method to determine the reproductive potential of breeding pairs of the genus Ara based on the pair bond. Therefore, the relationship of the pair bond quality in breeding pairs for lifetime reproductive success (LRS) is investigated in this study. The data of 21 breeding pairs was collected in the breeding facility 'La Vera' of the Loro Parque Fundación in Tenerife, Spain between 2006 and 2007. The pair bond was characterized firstly by the typical pair bonding behaviour and secondly by the physiological adaptation of each breeding pair based on the steroid hormone testosterone releases. The pair bonding behaviour consisted in ‘daily activity', ‘contact behaviour' and 'social interactions'. The ‘daily activity' included the behaviours: resting, sitting, eating, preening, activity and movement. Certain individual behaviours and gender roles were examined for the ‘contact behaviour'. The duration and frequency of social preening and the social index were summarized as 'social interactions'. In the social preening the duration and frequency of the phases was recorded, and the respective initiator of this interaction. In addition, gender of the individual, frequency, and duration of the social preening was recorded. Furthermore the social index was calculated, which indicates the relationship between agonistic and socio-positive interactions. To measure the testosterone release in the pair members over 9 weeks (September to November 2007), faecal samples were collected from each individual once a week. The faecal samples were analyzed at the Institute for Physiological Chemistry at the University of Leipzig under supervision of Prof. Dr. Almuth Einspanier. Competitive double-Antibody Enzyme Immunoassay (EIA) was applied to determine the testosteronecontent of the faecal samples. Reproductive success was represented by number of eggs, nests and chicks, and the clutch size. These data provide, based on the duration of the pair bond, information about the productivity of breeding pairs. Furthermore, the number of chicks reared by one breeding pair independently should provide information about the capacity for cooperative breeding. Breeding pairs were classified into different groups depending on their reproductive potential. This classification was verified by discriminant analysis and regression analysis to investigate the importance of the quality of the pair bond for reproductive success. I found that the reproductive potential of breeding pairs is related to various criteria that characterize the quality of a pair bond, but it is essential to distinguish between the productivity itself and the ability to cooperative breeding. The synchronous resting with a partner according to the daily activity, as well as the frequency and duration of social preening initiated by the female positively influenced the productivity of a pair. Breeding pairs with high productivity also showed a high ‚intra-pair fluctuation' of the steroid hormone testosterone level. The breeding pairs which are able to raise their young in cooperation also showed a high percentage of time with coordinated phases of resting, also frequent resting behaviour in physical contact with the partner and a high investment of males in the initiation and implementation of social preening. In addition, males, which actively contribute to cooperative breeding, showed significantly lower testosterone concentrations than males, which were members of breeding pairs not capable of raising chicks on its own. This result emphasizes the importance of testosterone during the parental care, especially in males, and provides a starting point for further investigations. My investigation shows that it is possible and useful to apply the individual behaviour of animals in captivity for the conservation of endangered species. Based on this study, further research should be aimed to expose reliable breeding pairs with good reproductive potential, by behaviour and by measuring hormonal states. In this way, poor reproductive success of endangered parrot species in captivity as a result of forced parings can be minimized.
KW  - Papageien
KW  - Paarbindung
KW  - Erhaltungszucht
KW  - Reproduktionserfolg
KW  - Menschenobhut
KW  - Parrots
KW  - pair bonding
KW  - conservation breeding
KW  - reproductive success
KW  - captivity
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41596
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vosloh, Daniel
T1  - Subcellular compartmentation of primary carbon metabolism in mesophyll cells of Arabidopsis thaliana
T1  - Subzelluläre Kompartimentierung des primären Kohlenstoffmetabolismus in Mesophyllzellen von Arabidopsis thaliana
N2  - Metabolismus in Pflanzenzellen ist stark kompartimentiert. Viele Stoffwechselwege haben Reaktionen in mehr als einem Kompartiment. Zum Beispiel wird während der Photosynthese in pflanzlichen Mesophyllzellen Kohlenstoff in Form von Stärke in den Chloroplasten synthetisiert, während es im Zytosol in Form von Sacharose gebildet und in der Vakuole gespeichert wird. Diese Reaktionen sind strikt reguliert um ein Gleichgewicht der Kohlenstoffpools der verschiedenen Kompartimente aufrecht zu erhalten und die Energieversorgung aller Teile der Zelle für anabolische Reaktionen sicher zu stellen. Ich wende eine Methode an, bei der die Zellen unter nicht-wässrigen Bedingungen fraktioniert werden und daher der metabolische Status der während der Ernte herrschte über den ganzen Zeitraum der Auftrennung beibehalten wird. Durch die Kombination von nichtwässriger Fraktionierung und verschiedener Massenspektrometrietechniken (Flüssigchromotagraphie- und Gaschromotagraphie basierende Massenspekrometrie) ist es möglich die intrazelluläre Verteilung der meisten Intermediate des photosynthetischen Kohlenstoffstoffwechsels und der Produkte der nachgelagerten metabolischen Reaktionen zu bestimmen. Das Wissen über die in vivo Konzentrationen dieser Metabolite wurde genutzt um die Änderung der freien Gibbs Energie in vivo zu bestimmen. Mit Hilfe dessen kann bestimmt werden, welche Reaktion sich in einem Gleichgewichtszustand befinden und welche davon entfernt sind. Die Konzentration der Enzyme und der Km Werte wurden mit den Konzentrationen der Metabolite in vivo verglichen, um festzustellen, welche Enzyme substratlimitiert sind und somit sensitiv gegenüber Änderungen der Substratkonzentration sind. Verschiedene Intermediate des Calvin-Benson Zyklus sind gleichzeitig Substrate für andere Stoffwechselwege, als da wären Dihyroxyaceton-phosphat (DHAP, Saccharosesynthese), Fructose 6-phosphat (Fru6P, Stärkesynthese), Erythrose 4-phosphat (E4P, Shikimat Stoffwechselweg) und Ribose 5-phosphat (R5P, Nukleotidbiosynthese). Die Enzyme, die diese Intermediate verstoffwechseln, liegen an den Abzweigungspunkten zu diesen Stoffwechselwegen. Diese sind Trisose phosphat isomerase (DHAP), Transketolase (E4P), Sedoheptulose-1,7 biphosphat aldolase (E4P) und Ribose-5-phosphat isomerase (R5P), welche nicht mit ihren Substraten gesättigt sind, da die jeweilige Substratkonzentration geringer als der zugehörige Km Wert ist. Für metabolische Kontrolle bedeutet dies, dass diese Schritte am sensitivsten gegenüber Änderungen der Substratkonzentrationen sind. Im Gegensatz dazu sind die regulierten irreversiblen Schritte von Fructose-1,6.biphosphatase und Sedoheptulose-1,7-biphosphatase relativ insensitiv gegenüber Änderungen der Substratkonzentration. Für den Stoffwechselweg der Saccharosesynthese konnte gezeigt werden, dass die zytosolische Aldolase eine geringer Bindeseitenkonzentration als Substratkonzentration (DHAP) aufweist, und dass die Konzentration von Saccharose-6-phosphat geringer als der Km Wert des synthetisierenden Enzyms Saccharose-phosphatase ist. Sowohl die Saccharose-phosphat-synthase, also auch die Saccharose-phosphatase sind in vivo weit von einem Gleichgewichtszustand entfernt. In Wildtyp Arabidopsis thaliana Columbia-0 Blättern wurde der gesamte Pool von ADPGlc im Chloroplasten gefunden. Das Enzyme ADPGlc pyrophosphorylase ist im Chloroplasten lokalisiert und synthetisiert ADPGlc aus ATP und Glc1P. Dieses Verteilungsmuster spricht eindeutig gegen die Hypothese von Pozueta-Romero und Kollegen, dass ADPGlc im Zytosol durch ADP vermittelte Spaltung von Saccharose durch die Saccharose Synthase erzeugt wird. Basierend auf dieser Beobachtung und anderen veröffentlichten Ergebnissen wurde geschlußfolgert, dass der generell akzeptierte Stoffwechselweg der Stärkesynthese durch ADPGlc Produktion via ADPGlc pyrophosphorylase in den Chloroplasten korrekt ist, und die Hypothese des alternativen Stoffwechselweges unhaltbar ist. Innerhalb des Stoffwechselweges der Saccharosesynthsese wurde festgestellt, dass die Konzentration von ADPGlc geringer als der Km Wert des Stärkesynthase ist, was darauf hindeutet, dass das Enzym substratlimitiert ist. Eine generelle Beobachtung ist, dass viele Enzmye des Calvin-Benson Zyklus ähnliche Bindeseitenkonzentrationen wie Metabolitkonzentrationen aufweisen, wohingegen in den Synthesewegen von Saccharose und Stärke die Bindeseitenkonzentrationen der Enzyme viel geringer als die Metabolitkonzentrationen sind.
N2  - Metabolism in plant cells is highly compartmented, with many pathways involving reactions in more than one compartment. For example, during photosynthesis in leaf mesophyll cells, primary carbon fixation and starch synthesis take place in the chloroplast, whereas sucrose is synthesized in the cytosol and stored in the vacuole. These reactions are tightly regulated to keep a fine balance between the carbon pools of the different compartments and to fulfil the energy needs of the organelles. I applied a technique which fractionates the cells under non-aqueous conditions, whereby the metabolic state is frozen at the time of harvest and held in stasis throughout the fractionation procedure. With the combination of non-aqueous fractionation and mass spectrometry based metabolite measurements (LC-MS/MS, GC-MS) it was possible to investigate the intracellular distributions of the intermediates of photosynthetic carbon metabolism and its products in subsequent metabolic reactions. With the knowledge about the in vivo concentrations of these metabolites under steady state photosynthesis conditions it was possible to calculate the mass action ratio and change in Gibbs free energy in vivo for each reaction in the pathway, to determine which reactions are near equilibrium and which are far removed from equilibrium. The Km value and concentration of each enzyme were compared with the concentrations of its substrates in vivo to assess which reactions are substrate limited and so sensitive to changes in substrate concentration. Several intermediates of the Calvin-Benson cycle are substrates for other pathways, including dihydroxyacetone-phosphate (DHAP,sucrose synthesis), fructose 6-phosphate (Fru6P, starch synthesis), erythrose 4-phosphate (E4P,shikimate pathway) and ribose 5-phosphate (R5P, nucleotide synthesis). Several of the enzymes that metabolise these intermediates, and so lie at branch points in the pathway, are triose-phosphate isomerase (DHAP), transketolase (E4P, Fru6P), sedoheptulose-1,7-bisphosphate aldolase (E4P) and ribose-5-phosphate isomerase (R5P) are not saturated with their respective substrate as the metabolite concentration is lower than the respective Km value. In terms of metabolic control these are the steps that are most sensitive to changes in substrate availability, while the regulated irreversible reactions of fructose-1,6-bisphosphatase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase are relatively insensitive to changes in the concentrations of their substrates. In the pathway of sucrose synthesis it was shown that the concentration of the catalytic binding site of the cytosolic aldolase is lower than the substrate concentration of DHAP, and that the concentration of Suc6P is lower than the Km of sucrose-phosphatase for this substrate. Both the sucrose-phosphate synthase and sucrose-phosphatase reactions are far removed from equilibrium in vivo. In wild type A. thaliana Columbia-0 leaves, all of the ADPGlc was found to be localised in the chloroplasts. ADPglucose pyrophosphorylase is localised to the chloroplast and synthesises ADPGlc from ATP and Glc1P. This distribution argues strongly against the hypothesis proposed by Pozueta-Romero and colleagues that ADPGlc for starch synthesis is produced in the cytosol via ADP-mediated cleavage of sucrose by sucrose synthase. Based on this observation and other published data it was concluded that the generally accepted pathway of starch synthesis from ADPGlc produced by ADPglucose pyrophosphorylase in the chloroplasts is correct, and that the alternative pathway is untenable. Within the pathway of starch synthesis the concentration of ADPGlc was found to be well below the Km value of starch synthase for ADPGlc, indicating that the enzyme is substrate limited. A general finding in the comparison of the Calvin-Benson cycle with the synthesis pathways of sucrose and starch is that many enzymes in the Calvin Benson cycle have active binding site concentrations that are close to the metabolite concentrations, while for nearly all enzymes in the synthesis pathways the active binding site concentrations are much lower than the metabolite concentrations.
KW  - Pflanze
KW  - Kohlenstoffmetabolismus
KW  - Mesophyll
KW  - Zelle
KW  - plant
KW  - carbon metabolism
KW  - mesophyll
KW  - cell
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55534
ER  - 
TY  - THES
A1  - Voigt, Andrea
T1  - Körperbau, Gelenkbeweglichkeit und Handkräfte Erwachsener im Generationenvergleich
T1  - Body type, joint flexibility and hand forces of adults in generation comparism
N2  - Die ergonomische Anpassung von Produkten der körpernahen Umwelt an den menschlichen Körper in seiner gesamten Variabilität erfordert anthropometrische Grundlagen. Die vorliegende Arbeit beschreibt und analysiert die Körpermasse, 17 Längenmaße, 5 Skelettrobustizitätsmaße, 6 Korpulenzmaße, 3 Kopfmaße, 5 Handmaße, 3 Fußmaße, sowie 10 Beweglichkeitsmaße der Wirbelsäule, 8 Beweglichkeitsmaße der Hand, 2 Beweglichkeitsmaße des Beines und 7 Handkräfte von 295 Probanden der drei Altersgruppen 20 bis 29 Jahre, 50 bis 59 Jahre und 60 bis 69 Jahre. Die Untersuchungen wurden im Zeitraum von September 2006 bis April 2007 durchgeführt. Ziel der Arbeit ist es, für den überwiegenden Teil der untersuchten körperlichen Merkmale erstmals für die deutsche Bevölkerung geschlechts- und altersspezifische Mittelwerte und Variabilitätsbereiche bis zum vollendeten 70. Lebensjahr zur Verfügung zu stellen. Das gilt insbesondere für die untersuchten Beweglichkeitsmaße und Handkräfte. Erstmals werden Korrelationen zwischen der Körperform, wie sie sich im Maßzusammenhang der unterschiedlichen Körperbautypen darstellt, der Gelenkbeweglichkeit und den Handkräften vorgestellt. Darüber hinaus wird durch den Vergleich der Ergebnisse der jungen und der beiden älteren Erwachsenengruppen untersucht, welche Unterschiede zwischen den verschiedenen Altersgruppen bestehen. Im Hinblick auf die zeitliche Gültigkeit der aktuellen Untersuchungsergebnisse werden der Einfluss des säkularen Trends und der Einfluss der ontogenetischen Alternsprozesse auf Längenmaße und Korpulenzmaße diskutiert. Die Arbeit zeigt auf, dass innerhalb der untersuchten Probanden eine große Variationsbreite in den Körpermaßen auftritt. Es lassen sich typische Altersunterschiede erkennen. Die Älteren sind im Mittel kleiner, weisen jedoch größere Skelettrobustizitäts- und Korpulenzmaße auf. Die dynamischen Maße weisen auf eine geringere Beweglichkeit der Wirbelsäule, teilweise auch der Hand hin. Die Handkräfte der Frauen werden mit zunehmendem Alter geringer, bei den Männern sind die Älteren kräftiger als die jungen Erwachsenen. Die Ergebnisse deuten auf einen gegenüber früheren Generationen verzögerten Beginn von körperlichen Alterserscheinungen hin, der im Hinblick auf die steigende Lebenserwartung der Bevölkerung eingehender untersucht werden sollte.
N2  - The ergonomic adaptation of products of the body close environment to the human body in its whole variability requires an anthropometric basis. The present work describes and analyses the body weight, 17 longitudinal, 5 skeletal and 6 corpulence dimensions of the human body, 3 head dimensions, 5 hand measurements, 3 foot measurements, as well as 10 measurements of the mobility of the spine, 8 mobility measurements of the hand, 2 mobility measurements of the leg and 7 hand forces of 295 test persons of the three age groups 20 to 29 years, 50 to 59 years and 60 to 69 years. The investigations were carried out in the period from September 2006 to April 2007 in Wolfsburg and Potsdam, Germany. The aim of the work is to make available averages and variability areas specific for age and specific for men and women up to the 70th birthday for the German population. This is valid in particular for the examined mobility measurements and hand forces. For the first time correlations are introduced between different body types and joint mobility and hand forces. In addition, it is examined by the comparison of the results of the young ones and both older adult's groups which differences exist between the examined age groups. With regard to the temporal validity of the investigation results the influence of the secular trend and the influence of the ontogenetic ageing processes on longitudinal and corpulence dimensions of the human body are discussed. The work indicates that within the examined test persons a big variation width appears in body measurements. Typical age differences exist. The older people are smaller on average, nevertheless, they show bigger skeletal and corpulence dimensions. The dynamic measurements point to a lower mobility of the spine, partially also of the hand. The hand forces of the women become lower with increasing age. In men the older test persons are stronger than the young adults. The results point to a delayed beginning of physical signs of ageing compared to former generations.
KW  - Anthropometrie
KW  - Handkraft
KW  - Gelenkbeweglichkeit
KW  - Säkulare Akzeleration
KW  - Metrik-Index
KW  - anthropometry
KW  - hand force
KW  - joint flexibility
KW  - secular acceleration
KW  - metric index
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31217
ER  - 
TY  - THES
A1  - Venevskaia, Irina
T1  - Modeling of vegetation diversity and a national conservation planning: example of Russia
N2  - Die übergreifende Zielsetzung meiner Studie ist eine Ausarbeitung quantitativer Methoden zur nationalen nationale Schutzplanung in Übereinstimmung mit dem internationalen Ansatz. Diese Zielsetzung erfordert eine Lösung der folgenden Probleme: 1) Wie lässt sich Vegetationsvielfalt in grober Auflösung auf Basis abiotischen Faktoren einschätzen? 2) Wie ist der Ansatz 'globaler Hotspots' für die Eingrenzung nationaler Biodiversitäts-Hotspots zu übernehmen? 3) Wie erfolgt die Auswahl von quantitativen Schutzzielen unter Einbezug der Unterschiede nationaler Hotspots bei Umweltbedingungen und durch den Menschen Bedrohung? 4) Wie sieht der Entwurf eines großflächigen nationalen Naturschutzkonzepts aus, das die hierarchische Natur der Artenvielfalt reflektiert? Die Fallstudie für nationale Naturschutzplanung ist Russland.  Die nachfolgenden theoretischen Schlüsse wurden gezogen: · Großräumige Vegetationsdiversität ist weitgehend vorhersagbar durch klimabedingte latente Wärme für Verdunstung und topographische Landschaftsstruktur, beschrieben als Höhendifferenz. Das klimabasierte Modell reproduziert die beobachtete Artenanzahl von Gefäßpflanzen für verschiedene Gebiete auf der Welt mit einem durchschnittlichen Fehler von 15%  · Nationale Biodiversitäts-Hotspots können auf Grundlage biotischer oder abiotischer Daten kartographiert werden, indem als Korrektur für ein Land die quantitativen Kriterien für Planzenendemismus und Landnutzung des Ansatzes der 'globalen Hotspots' genutzt wird  · Quantitative Naturschutzziele, die die Unterschiede zwischen nationalen Biodiversitäts-Hotspots in Bezug auf Umweltbedingungen und der Bedrohung durch den Menschen miteinbeziehen, können mit nationalen Daten über Arten auf der Roten Liste gesetzt werden  · Ein großräumiger nationaler Naturschutzplan, der die hierarchische Natur der Artenvielfalt berücksichtigt, kann durch eine Kombination von abiotischer Methode im nationalen Bereich (Identifikation großräumiger Hotspots) und biotischer Methode im regionalen Bereich (Datenanalyse der Arten auf der Roten Liste) entworfen werden
N2  - The overall objective of the study is an elaboration of quantitative methods for national conservation planning, coincident with the international approach ('hotspots' approach). This objective requires a solution of following problems:  1) How to estimate large scale vegetation diversity from abiotic factors only? 2) How to adopt 'global hotspots' approach for bordering of national biodiversity hotspots? 3) How to set conservation targets, accounting for difference in environmental conditions and human threats between national biodiversity hotspots? 4) How to design large scale national conservation plan reflecting hierarchical nature of biodiversity? The case study for national conservation planning is Russia.  Conclusions: · Large scale vegetation diversity can be predicted to a major extent by climatically determined latent heat for evaporation and geometrical structure of landscape, described as an altitudinal difference. The climate based model reproduces observed species number of vascular plant for different areas of the world with an average error 15% · National biodiversity hotspots can be mapped from biotic or abiotic data using corrected for a country the quantitative criteria for plant endemism and land use from the 'global hotspots' approach · Quantitative conservation targets, accounting for difference in environmental conditions and human threats between national biodiversity hotspots can be set using national data for Red Data book species  · Large scale national conservation plan reflecting hierarchical nature of biodiversity can be designed by combination of abiotic method at national scale (identification of large scale hotspots) and biotic method at regional scale (analysis of species data from Red Data book)
T2  - Modeling of vegetation diversity and a national conservation planning: example of Russia
KW  - Vegetationsvielfalt
KW  - nationaler Biodiversitäts-Hotspots
KW  - quantitativen Schutzzielen
KW  - nationalen Naturschutzplanung
KW  - Russland
KW  - large scale vegetation diversity
KW  - national biodiversity hotspots
KW  - conservation targets
KW  - large scale national conservation plan
KW  - Russia
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001863
ER  - 
TY  - THES
A1  - Usadel, Björn
T1  - Untersuchungen zur Biosynthese der pflanzlichen Zellwand = [Identification and characterization of genes involved in plant cell wall synthesis]
T1  - Untersuchungen zur Biosynthese der pflanzlichen Zellwand
N2  - Even though the structure of the plant cell wall is by and large quite well characterized, its synthesis and regulation remains largely obscure. However, it is accepted that the building blocks of the polysaccharidic part of the plant cell wall are nucleotide sugars. Thus to gain more insight into the cell wall biosynthesis, in the first part of this thesis, plant genes possibly involved in the nucleotide sugar interconversion pathway were identified using a bioinformatics approach and characterized in plants, mainly in Arabidopsis. For the computational identification profile hidden markov models were extracted from the Pfam and TIGR databases. Mainly with these, plant genes were identified facilitating the “hmmer” program. Several gene families were identified and three were further characterized, the UDP-rhamnose synthase (RHM), UDP-glucuronic acid epimerase (GAE) and the myo-inositol oxygenase (MIOX) families. For the three-membered RHM family relative ubiquitous expression was shown using variuos methods. For one of these genes, RHM2, T-DNA lines could be obtained. Moreover, the transcription of the whole family was downregulated facilitating an RNAi approach. In both cases a alteration of cell wall typic polysaccharides and developmental changes could be shown. In the case of the rhm2 mutant these were restricted to the seed or the seed mucilage, whereas the RNAi plants showed profound changes in the whole plant. In the case of the six-membered GAE family, the gene expressed to the highest level (GAE6) was cloned, expressed heterologously and its function was characterized. Thus, it could be shown that GAE6 encodes for an enzyme responsible for the conversion of UDP-glucuronic acid to UDP-galacturonic acid. However, a change in transcript level of variuos GAE family members achieved by T-DNA insertions (gae2, gae5, gae6), overexpression (GAE6) or an RNAi approach, targeting the whole family, did not reveal any robust changes in the cell wall. Contrary to the other two families the MIOX gene family had to be identified using a BLAST based approach due to the lack of enough suitable candidate genes for building a hidden markov model. An initial bioinformatic characterization was performed which will lead to further insights into this pathway. In total it was possible to identify the two gene families which are involved in the synthesis of the two pectin backbone sugars galacturonic acid and rhamnose. Moreover with the identification of the MIOX genes a genefamily, important for the supply of nucleotide sugar precursors was identified. In a second part of this thesis publicly available microarray datasets were analyzed with respect to co-responsive behavior of transcripts on a global basis using nearly 10,000 genes. The data has been made available to the community in form of a database providing additional statistical and visualization tools (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de). Using the framework of the database to identify nucleotide sugar converting genes indicated that co-response might be used for identification of novel genes involved in cell wall synthesis based on already known genes.
N2  - Obwohl der Aufbau der pflanzlichen Zellwand im Großen und Ganzen relativ gut charakterisiert ist, ist relativ wenig über ihre Synthese bekannt. Allgemein akzeptiert ist jedoch, dass die Nukleotidzucker die Vorstufe für den polysaccharidären Teil der Zellwand stellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Kandidatengene für die Zellwandbiosynthese mittels bioinformatorischer Analysen ermittelt und deren Rolle in Pflanzen, hauptsächlich Arabidopsis thaliana untersucht. Zur Identifizierung von Arabidopsis thaliana Kandidatengenen des Nukleotidzucker-Stoffwechselweges wurden „hidden Markov Modelle“ für Gene desselben aus den Datenbanken Pfam und TIGR extrahiert. Unter anderem wurden diese dann unter Zuhilfenahme des Programms hmmer zur Identifikation von pflanzlichen Genen benutzt. Es wurden einige Genfamilien identifiziert und drei von diesen wurden weiter charakterisiert. Hierbei handelte sich um eine UDP-Rhamnose Synthase Familie (RHM), eine UDP-Glucuronsäurepimerase Familie (GAE) und eine myo-Inositol Oxygenase Familie (MIOX). Für die RHM Kandidatengenfamilie, mit drei Mitgliedern, wurde die relativ ubiquitäre Expression aller Gene mittels verschiedener Methoden gezeigt und für eines der Gene, RHM2, konnten T-DNA Linien bezogen werden. Außerdem wurde die Transkription der gesamten Familie mittels eines RNAi Konstruktes herunter geregelt. In beiden Fällen konnte eine Veränderung von zellwandtypischen Polysacchariden sowie schwere Entwicklungsstörungen gezeigt werden. Diese waren bei der rhm2 Funktionsverlustpflanze auf den Samenschleim bzw. den Samen reduziert, bei den RNAi Pflanzen hingegen war die gesamte Pflanze betroffen. Im Falle der zweiten Kandidatengenfamilie, GAE, wurde das höchst-exprimierte Gen (GAE6) kloniert, heterolog exprimiert und die Funktion charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass GAE6 für ein Enzym kodiert, welches UDP-Glukuronsäure in UDP-Galakturonsäure wandelt. Allerdings zeigten Pflanzen mit veränderter Transkriptmenge, erreicht durch T-DNA Insertionen (gae2, gae5, gae6), Überexpression (GAE6) oder RNAi , keine robuste Veränderung der Zellwand. Die letzte betrachtete Kandiatengenfamilie myo-Inositol Oxygenase wurde im Gegensatz zu den beiden anderen Familien, durch eine BLAST Suche gefunden, da zur Zeit der Durchführung noch zu wenig myo-inositol Oxygenasen bekannt waren, um daraus „hidden Markov Modelle“ abzuleiten. Dennoch konnten erste bioinformatorische Analysen zu dieser Genfamilie gemacht werden. Insgesamt gesehen wurden in diesem Teil der Arbeit die beiden Genfamilien identifiziert und charkterisiert, die bei der Synthese der beiden Pektinrückgradzucker Rhamnose und Galakturonsäure die tragende Rolle spielen. Weiterhin wurde mit der Identifizierung der MIOX Genfamilie, eine Genfamilie identifiziert, die wichtige Vorstufen in der Synthese der Nukleotidzucker liefert. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden öffentlich zugängliche Mikroarray-Daten durch ihr Gleich -oder Ungleichverhalten charakterisiert. Dieses erfolgte auf globaler Ebene für zunächst fast 10.000 Gene. Die Daten wurden in Form einer allgemein zugänglichen Datenbank der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de). Eine Anwendung der Methode auf Gene des Nukleotidzuckerstoffwechsels, deutet darauf hin, dass so neue Kandiatengene, die bei der Zellwandsynthese eine Rolle spielen, von bereits bekannten Genen abgeleitet werden können.
T2  - Identification and Characterization of Genes Involved in Plant Cell Wall Synthesis
KW  - Zellwand
KW  - Rhamnose
KW  - Galacturonsäure
KW  - Pektinsäure
KW  - Pektine
KW  - Inosite
KW  - Korrelationsanalyse
KW  - plant cell wall biosynthesis
KW  - udp-rhamnose
KW  - udp-galacturonic acid
KW  - correlation networks
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2947
ER  - 
TY  - THES
A1  - Urban, Alexander
T1  - Charakterisierung der Funktion der Rhodanese YnjE für die Molybdänkofaktor Biosynthese in Escherichia coli
T1  - Characterization of the Rhodanese YnjE regarding Molybdenum Cofaktor Biosynthesis in E. coli
N2  - Die ubiquitär verbreitete Molybdänkofaktorbiosynthese ist in Escherichia coli (E. coli) bisher am umfassendsten untersucht. Bislang war jedoch nicht bekannt, welche physiologische Schwefelquelle im zweiten Schritt dieses Syntheseweges zur Bildung der charakteristischen Dithiolengruppe genutzt wird. Erste Untersuchungen deuteten auf eine der Cysteindesulfurasen E. colis hin, welche in Verbindung mit einem rhodaneseähnlichen Protein den Schwefel in Form eines Persulfids übertragen. Ähnliche Mechanismen wurden bereits in der humanen Moco-Biosynthese und der Thiaminbiosynthese identifiziert. In dieser Arbeit wurde das E. coli Protein YnjE näher charakterisiert. Es handelt sich bei YnjE um ein rhodaneseähnliches Protein aus drei Rhodanesedomänen. Durch Proteinkristallisation und anschliessender Röntgenstrukturanalyse wurde die Tertiärstruktur des YnjE-Proteins analysiert. Die hergestellten Kristalle konnten zur Gewinnung von Strukturdaten vermessen und eine Proteinkristallstruktur für YnjE berechnet werden. Desweiteren besitzt YnjE ein N-terminales Typ I Sekretionssystem abhängiges Sipnalpeptid. Durch Lokalisieungsexperimente wurde die Bedeutung des Signalpeptids für das YnjE-Protein untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass endogenes YnjE sowohl im peri- als auch im cytoplasmatischen Raum lokalisiert ist. Auf Grund von vorhergehenden Studien, wurde eine Funktion des YnjE-Proteins innerhalb der Molybdänkofaktorbiosynthese in der Schwefelübertragung auf das Protein MoaD in E. coli vermutet und deshalb in dieser Arbeit näher untersucht. Es wurde eine Interaktion des YnjE-Proteins mit dem MoeB-Protein, welches für die Thiocarboxylierung des MoaD-Proteins essentiell ist, durch Tandem-Affinitätsreinigung und Antikörper-basierte Affinitätsreinigung nachgewiesen und ein signifikanter positiver Einfluss YnjEs auf die Bildung von Molybdopterin, einer Vorstufe des Molybdänkofaktors, bestätigt. Dabei wurde sowohl der Sulfurierungsgrad des MoaD-Proteins in YnjE und Cysteindesulfurase-knock-out Mutanten untersucht, als auch die Bildung von Molybdopterin in einem in vitro Ansatz in Abhängigkeit von steigenden YnjE-Konzentrationen analysiert. Im Ergebnis kann man daraus schließen, dass der Mechanismus der Schwefelübertragung ähnlich der Thiaminbiosynthese, über eine der drei Cysteindesulfurasen CsdA, SufS oder IscS geschieht, welche Schwefel in Form eines Persulfids auf YnjE übertragen können. Thiosulfat und Mercaptopyruvat, die Substrate für die beiden Familien der rhodaneseähnlichen Proteine, Thiosulfat-Sulfurtransferasen und Mercaptopyruvat-Sulfurtransferasen, dienen nicht als Substrate für eine Persulfurierung YnjEs. Durch eine Austauschmutante des Cysteinrestes der aktiven Schleife von YnjE konnte nicht bestätigt werden, dass dieser Aminosäurerest und damit die Bildung eines YnjE-gebundenen Persulfids für die positive Beeinflussung der MPT-Synthese essentiell ist. Vielmehr kann durch diese Arbeit von einer Vermittlung der Interaktionen zwischen MoeB, IscS und der MPT-Synthase durch YnjE ausgegangen werden wobei die Cysteindesulfurase IscS den Schwefel für die Thiocarboxylierung des MoaD-Proteins liefert.
N2  - The rhodanese-like protein YnjE was characterized in this study. After protein christallization the stucture of the YnjE protein was analyzed. Subzellular localization experiments revealed, that the YnjE protein is present both in cytoplasm and periplasm. Interaction studies and in vitro synthesis of Molybdopterin revealed an influence of YnjE on Molybdenum Cofactor Biosynthesis.A sulfur transfer from L-Cystein to YnjE by a Cystein desulfurase was not responsible for the the effects on Molybdenum Cofaktor Biosynthesis, since a YnjE cysteine 385 to alanine mutant showed the same effect on Molybdenum Cofaktor Biosynthesis.
KW  - Molybdänkofaktor
KW  - Rhodanese
KW  - YnjE
KW  - Sulfurtransferase
KW  - Escherichia coli
KW  - Molybdenum Cofaktor
KW  - Rhodanese
KW  - YnjE
KW  - sulfur transferase
KW  - Escherichia coli
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Unterstab, Gunhild
T1  - Charakterisierung der viralen Genprodukte p10 und P des Borna Disease Virus
T1  - Characterization of the viral gene products p10 and P of the Borna disease virus
N2  - Das Borna Disease Virus (BDV, Bornavirus) besitzt ein einzelsträngiges RNA-Genom negativer Polarität und ist innerhalb der Ordnung Mononegavirales der Prototyp einer eigenen Virusfamilie, die der Bornaviridae. Eine außergewöhnliche Eigenschaft des Virus ist seine nukleäre Transkription und Replikation, eine weitere besteht in seiner Fähigkeit, als neurotropes Virus sowohl in vivo als auch in vitro persistente Infektionen zu etablieren. Die zugrunde liegenden Mechanismen sowohl der Replikation als auch der Persistenz sind derzeit noch unzureichend verstanden, auch deshalb, weil das Virus noch relativ „jung“ ist: Erste komplette Sequenzen des RNA-Genoms wurden 1994 publiziert und erst vor einigen Monaten gelang die Generierung rekombinanter Viren auf der Basis klonierter cDNA. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen das p10 Protein und das Phosphoprotein (P), die von der gemeinsamen Transkriptionseinheit II in überlappenden Leserahmen kodiert werden.  Als im Kern der Wirtszelle replizierendes Virus ist das Bornavirus auf zelluläre Importmechanismen angewiesen, um den Kernimport aller an der Replikation beteiligten viralen Proteine zu gewährleisten. Das p10 Protein ist ein negativer Regulator der viralen RNA-abhängigen RNA-Polymerase (L). In vitro Importexperimente zeigten, dass p10 über den klassischen Importin alpha/beta abhängigen Kernimportweg in den Nukleus transportiert wird. Dies war unerwartet, da p10 kein vorhersagbares klassisches Kernlokalisierungssignal (NLS) besitzt und weist darauf hin, dass der zelluläre Importapparat offensichtlich flexibler ist als allgemein angenommen. Die ersten 20 N-terminalen AS vermitteln sowohl Kernimport als auch die Bindung an den Importrezeptor Importin alpha. Durch Di-Alanin-Austauschmutagenese wurden die für diesen Transportprozess essentiellen AS identifiziert und die Bedeutung hydrophober und polarer AS-Reste demonstriert.  Die Fähigkeit des Bornavirus, persistente Infektionen zu etablieren, wirft die Frage auf, wie das Virus die zellulären antiviralen Abwehrmechanismen, insbesondere das Typ I Interferon (IFN)-System, unterwandert. Das virale P Protein wurde in dieser Arbeit als potenter Antagonist der IFN-Induktion charakterisiert. Es verhindert die Phosphorylierung des zentralen Transkriptionsfaktors IRF3 durch die zelluläre Kinase TBK1 und somit dessen Aktivierung. Der Befund, dass P mit TBK1 Komplexe bildet und zudem auch als Substrat für die zelluläre Kinase fungiert, erlaubt es, erstmalig einen Mechanismus zu postulieren, in dem ein virales Protein (BDV-P) als putatives TBK1-Pseudosubstrat die IRF3-Aktivierung kompetitiv hemmt.
N2  - The Borna Disease Virus (BDV) harbors a single stranded RNA genome of negative polarity. Within the order of Mononegavirales it is the prototype of a new virus family named Bornaviridae. Unique features of this neurotrope virus are its nuclear transcription and replication as well as its ability to establish persistent infections both in vivo and in vitro. The underlying mechanisms of BDV replication and persistence are currently not well understood amongst others due to the fact that BDV is quite a young virus: First complete sequences of the RNA genome have been published in 1994. Only a few months ago the generation of a recombinant Bornavirus from cloned cDNA has been accomplished.  The work presented here focused on the viral p10 protein and the phosphoprotein P that are both encoded by two overlapping reading frames of the transcription unit II.  Nuclear replication of the Bornavirus relies on cellular import mechanisms to allow for nuclear import of viral proteins involved in viral replication. The p10 protein has been described as a negative regulator of the viral RNA dependent RNA polymerase (L). In vitro import experiments revealed that p10 translocates into the nucleus via the classical importin alpha/beta; dependent pathway. This was unexpected since p10 does not contain a predictable classical nuclear localization signal (NLS) suggesting that the cellular import machinery is more flexible than generally believed. The first 20 amino acids mediate nuclear import and binding to the import receptor importin alpha. Analysis of di-alanine-exchange mutants identified essential amino acids and furthermore revealed the impact of hydrophobic and polar side chains in receptor binding and nuclear import.  The ability of the Bornavirus to establish persistent infections rises the question of how the virus circumvents cellular antiviral defense mechanisms, in particular the type I interferon system. This work characterizes the viral P protein as a potent antagonist of IFN beta induction. It prevents the activation of the central transcription factor IRF3 by interfering with the cellular kinase TBK1. The finding that P forms complexes with TBK1 and moreover serves as a kinase substrate allows to postulate a mechanism for the first time, in which a viral protein (BDV-P) acts as a putative TBK1 pseudo-substrate and thereby competitively inhibits IRF3 activation.
KW  - Interferon <beta->
KW  - Borna Disease Virus
KW  - Kernlokalisierungssignal
KW  - Importin
KW  - IRF3
KW  - TBK1
KW  - Borna disease virus
KW  - nuclear localization signal
KW  - importin
KW  - IRF3
KW  - TBK1
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6905
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ullmann, Wiebke
T1  - Understanding animal movement behaviour in dynamic agricultural landscapes
T1  - Tierbewegungen in dynamischen Agrarlandschaften
N2  - The movement of organisms has formed our planet like few other processes. Movements shape populations, communities, entire ecosystems, and guarantee fundamental ecosystem functions and services, like seed dispersal and pollination. Global, regional and local anthropogenic impacts influence animal movements across ecosystems all around the world. In particular, land-use modification, like habitat loss and fragmentation disrupt movements between habitats with profound consequences, from increased disease transmissions to reduced species richness and abundance. However, neither the influence of anthropogenic change on animal movement processes nor the resulting effects on ecosystems are well understood. Therefore, we need a coherent understanding of organismal movement processes and their underlying mechanisms to predict and prevent altered animal movements and their consequences for ecosystem functions. 
In this thesis I aim at understanding the influence of anthropogenically caused land-use change on animal movement processes and their underlying mechanisms. In particular, I am interested in the synergistic influence of large-scale landscape structure and fine-scale habitat features on basic-level movement behaviours (e.g. the daily amount of time spend running, foraging, and resting) and their emerging higher-level movements (home range formation). Based on my findings, I identify the likely consequences of altered animal movements that lead to the loss of species richness and abundances.
The study system of my thesis are hares in agricultural landscapes. European brown hares (Lepus europaeus) are perfectly suited to study animal movements in agricultural landscapes, as hares are hermerophiles and prefer open habitats. They have historically thrived in agricultural landscapes, but their numbers are in decline. Agricultural areas are undergoing strong land-use changes due to increasing food demand and fast developing agricultural technologies. They are already the largest land-use class, covering 38% of the world’s terrestrial surface. To consider the relevance of a given landscape structure for animal movement behaviour I selected two differently structured agricultural landscapes – a simple landscape in Northern Germany with large fields and few landscape elements (e.g. hedges and tree stands), and a complex landscape in Southern Germany with small fields and many landscape elements. 
I applied GPS devices (hourly fixes) with internal high-resolution accelerometers (4 min samples) to track hares, receiving an almost continuous observation of the animals’ behaviours via acceleration analyses. I used the spatial and behavioural information in combination with remote sensing data (normalized difference vegetation index, or NDVI, a proxy for resource availability), generating an almost complete idea of what the animal was doing when, why and where. Apart from landscape structure (represented by the two differently structured study areas), I specifically tested whether the following fine-scale habitat features influence animal movements: resource, agricultural management events, habitat diversity, and habitat structure. 
My results show that, irrespective of the movement process or mechanism and the type of fine-scale habitat features, landscape structure was the overarching variable influencing hare movement behaviour. High resource variability forces hares to enlarge their home ranges, but only in the simple and not in the complex landscape. Agricultural management events result in home range shifts in both landscapes, but force hares to increase their home ranges only in the simple landscape. Also the preference of habitat patches with low vegetation and the avoidance of high vegetation, was stronger in the simple landscape. High and dense crop fields restricted hare movements temporarily to very local and small habitat patch remnants. Such insuperable barriers can separate habitat patches that were previously connected by mobile links. Hence, the transport of nutrients and genetic material is temporarily disrupted. This mechanism is also working on a global scale, as human induced changes from habitat loss and fragmentation to expanding monocultures cause a reduction in animal movements worldwide. 
The mechanisms behind those findings show that higher-level movements, like increasing home ranges, emerge from underlying basic-level movements, like the behavioural modes. An increasing landscape simplicity first acts on the behavioural modes, i.e. hares run and forage more, but have less time to rest. Hence, the emergence of increased home range sizes in simple landscapes is based on an increased proportion of time running and foraging, largely due to longer travelling times between distant habitats and scarce resource items in the landscape. This relationship was especially strong during the reproductive phase, demonstrating the importance of high-quality habitat for reproduction and the need to keep up self-maintenance first, in low quality areas. These changes in movement behaviour may release a cascade of processes that start with more time being allocated to running and foraging, resulting into an increased energy expenditure and may lead to a decline in individual fitness. A decrease in individual fitness and reproductive output will ultimately affect population viability leading to local extinctions.
In conclusion, I show that landscape structure has one of the most important effects on hare movement behaviour. Synergistic effects of landscape structure, and fine-scale habitat features, first affect and modify basic-level movement behaviours, that can scales up to altered higher-level movements and may even lead to the decline of species richness and abundances, and the disruption of ecosystem functions. Understanding the connection between movement mechanisms and processes can help to predict and prevent anthropogenically induced changes in movement behaviour. With regard to the paramount importance of landscape structure, I strongly recommend to decrease the size of agricultural fields and increase crop diversity. On the small-scale, conservation policies should assure the year round provision of areas with low vegetation height and high quality forage. This could be done by generating wildflower strips and additional (semi-) natural habitat patches. This will not only help to increase the populations of European brown hares and other farmland species, but also ensure and protects the continuity of mobile links and their intrinsic value for sustaining important ecosystem functions and services.
N2  - Wenige biologische Prozesse haben unseren Planeten so stark geformt wie die Bewegungen von Organismen. Individuelle Tierbewegungen haben weitreichende Auswirkungen auf ganze Populationen, Artengemeinschaften und Ökosysteme. Tier-bewegungen sind außerdem verantwortlich für fundamentale Ökosystemfunktionen und –leistungen, wie z.B. die Verbreitung von Samen und die Bestäubung von Wild- und Nutzpflanzen. Globale, regionale und lokale Einflüsse durch den Menschen verändern die ursprünglichen Bewegungsmuster von Organismen und damit auch die Auswir-kungen dieser Bewegungen auf die Ökosysteme. Insbesondere Landnutzungs-änderungen, wie z.B. der Verlust und die Fragmentierung von Lebensräumen, stören die Tierbewegungen zwischen verschiedenen Habitaten und können schwerwiegende Folgen nach sich ziehen. Diese Folgen reichen von der Verminderung der biologischen Artenvielfalt bis hin zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Krankheitsübertragung. Dennoch sind weder die Auswirkungen von Landnutzungsveränderungen auf die Bewegungsabläufe von Tieren, noch deren Einfluss auf die Ökosysteme bis heute gut verstanden. Um die Veränderungen der Bewegungsprozesse und deren Folgen für die Funktionstüchtigkeit von Ökosystemen vorhersagen zu können oder gar zu verhindern, benötigen wir ein ganzheitliches Verständnis der organismischen Bewegungsprozesse.
Das Ziel meiner Arbeit ist es, den Einfluss von anthropogenen Landnutzungs-änderungen auf tierische Bewegungsprozesse und die zugrundeliegende Mechanismen zu verstehen. Im Speziellen untersuche ich die synergetischen Effekte großflächiger Landschaftsstrukturen und kleinflächiger Habitatmerkmale auf das Bewegungsverhalten von Tieren. Dabei untersuche ich sowohl die Bewegungsprozesse, wie z.B. die Ent-stehung von Streifgebieten, als auch die zugrundeliegenden täglichen Verhaltensweisen wie das Laufen, die Nahrungssuche und das Schlafen. Die hierbei gewonnen Erkennt-nisse ermöglichen es mir, die voraussichtlichen Folgen von veränderten Tierbewe-gungen auf Ökosysteme abzuleiten. 
Das Modelsystem meiner Doktorarbeit ist der Feldhase (Lepus europaeus) in Agrarlandschaften. Feldhasen eignen sich hervorragend zur Untersuchung von Tier-bewegungen in landwirtschaftlich genutzten Gebieten, da sie Kulturfolger sind und offene Lebensräume, wie Agrarlandschaften und Steppen bevorzugen. Sie konnten sich in landwirtschaftlichen Regionen ausbreiten und entfalten. Jedoch sind die Bestände seit den 1960er Jahren stark zurückgegangen. Die Intensivierung der Landwirtschaft stellt einen Grund für diesen Rückgang dar. Aufgrund des steigenden Nahrungsmittelbedarfs und der sich schnell entwickelnden Agrartechnologien unterliegen Agrarlandschaften starken Landnutzungsänderungen. Agrarlandschaften stellen weltweit das flächenmäßig größte Landnutzungssystem dar und bedecken 38% der Erdoberfläche. Um die Auswirkungen großflächiger Landschaftsstrukturen auf das Bewegungsverhalten von Tieren zu untersuchen, habe ich zwei unterschiedlich strukturierte Agrarlandschaften ausgewählt: eine relativ einfach strukturierte Landschaft in Norddeutschland, die sich v.a. durch große Feldern und wenige Landschaftselementen (z.B. Hecken und kleinere Baumbestände) auszeichnet und eine komplexere Landschaft in Süddeutschland, die durch kleinere Felder und vielen dieser Landschaftselementen charakterisiert ist. 
Mit Hilfe von GPS-Halsbändern, die mit internen hochauflösenden Beschleu-nigungssensoren ausgestattet sind, wurden die Bewegungen der Feldhasen aufge-zeichnet. Die Beschleunigungssensoren liefern nahezu kontinuierliche Daten, die mit Hilfe von statistischen Klassifikationsverfahren das Verhalten der Tiere wiedergeben können. Die räumlichen Daten (GPS) und die Informationen über die Verhaltensweisen wurden anschließend mit Fernerkundungsdaten kombiniert, die wiederum Aufschluss über die Ressourcenverfügbarkeit geben. Hierdurch kann ein fast vollständiges Bild davon generiert werden, was das Tier wann, warum und wo getan hat. Neben der Landschaftsstruktur (dargestellt durch die beiden unterschiedlich strukturierten Unter-suchungsgebiete) habe ich getestet, ob die folgenden kleinflächigen Habitatmerkmale einen Einfluss auf die Tierbewegungen ausüben: raum-zeitliche Variabilität in der Ressourcenverfügbarkeit, landwirtschaftliche Managementmaßnahmen, Habitatdiversität und Habitatstruktur. 
Die Ergebnisse meiner Forschungsarbeit zeigen, dass unabhängig vom Bewegungsprozess oder -mechanismus und der Art der Habitatmerkmale, die Land-schaftsstruktur die Bewegungen der Feldhasen am stärksten beeinflusst. Eine hohe Ressourcenvariabilität zwingt die Feldhasen dazu, ihre Streifgebiete zu vergrößern, jedoch nur in der einfachen und nicht in der komplexen Landschaft. Landwirtschaftliche Managementmaßnahmen führen zu einer Verschiebung der Streifgebiete in beiden Landschaftstypen. In der einfachen Landschaft jedoch, vergrößern die Feldhasen zusätzlich ihre Streifgebiete. Feldhasen bevorzugen niedrige und vermeiden hohe Vegetation. Im Vergleich zur komplexen Landschaft ist diese Art der Habitatselektion stärker in der einfachen Landschaft ausgeprägt. Hohe und dichte Feldfrüchte, wie z.B. Raps oder Weizen, beschränken die Bewegungen der Feldhasen vorübergehend auf viel kleinere und lokale Gebiete. Derartige unüberwindbare Barrieren können Habitate voneinander trennen, die vorher durch sogenannte „mobile links“ miteinander verbunden waren. „Mobile links“ transportieren z.B. Nährstoffe oder genetisches Material zwischen entfernten Habitaten. Durch die Trennung wird dieser Transport vorübergehend unterbrochen und stört somit die Funktionstüchtigkeit des Ökosystems. Die Reduktion von „mobile links“ durch die vom Menschen verursachten Landnutzungsänderungen und damit einhergehenden Einschränkungen von Tierbewegungen ist weltweit vorzufinden.
Die Resultate meiner Untersuchungen zeigen zudem, dass Bewegungsprozesse, wie z.B. die Vergrößerung der Streifgebiete, durch die zugrundeliegenden Verhaltens-weisen ausgelöst werden. Eine zunehmende Vereinfachung von Landschaftsstrukturen wirkt sich zunächst auf die Verhaltensweisen aus, d.h. Feldhasen laufen mehr und begeben sich häufiger auf die Suche nach Nahrung und anderen Ressourcen. Demnach verringern sich die Ruhezeiten der Feldhasen. Die Vergrößerung von Streifgebieten in der einfach strukturierten Landschaft beruht daher auf einem erhöhten Anteil an Lauf- und Nahrungssuchzeiten. Dies ist vor allem auf die längeren Wege zwischen den weiter entfernten Habitaten und eine geringere Ressourcenverfügbarkeit in einfach strukturierten Landschaften zurück zu führen. In meinen Untersuchungen zeige ich außerdem, dass die Beziehung zwischen der Landschaftsstruktur und den Verhaltens-weisen während der Fortpflanzungsphase besonders stark ausgeprägt ist. Dies zeigt zum einen die besondere Bedeutung eines qualitativ hochwertigen Lebensraums während der Fortpflanzungsphase und zum anderen, dass sich Tiere in Gebieten mit geringer Habitatqualität erst um das eigene tägliche Überleben kümmern müssen. Erst wenn ausreichend Zeit und Ressourcen verfügbar sind, können die Feldhasen sich erfolgreich fortpflanzen. Veränderungen im Bewegungsverhalten können also eine ganze Kaskade von Prozessen auslösen. Diese Kaskade beginnen mit der Veränderung der Verhaltensweisen durch z.B. weniger strukturierte Habitate und führt zu einem erhöhten Anteil an Laufen und Futtersuche, was wiederum einen erhöhten Energieaufwand bedeutet. Wenn Tiere zu viel Energie aufwenden müssen, um das eigene tägliche Überleben zu sichern, kann dies einen Rückgang ihrer individuellen Fitness bedeuten. Die Abnahme der Fitness und der Reproduktionsleistung wird sich letztendlich auf die Überlebensfähigkeit der Population auswirken und kann zum lokalen Aussterben führen.
Die Struktur der Agrarlandschaft stellt eine der wichtigsten Einflussgrößen für das Bewegungsverhalten von Feldhasen dar. Die synergistischen Effekte der großflächigen Landschaftsstruktur und der kleinflächigen Habitatmerkmale beeinflussen und modifizieren zunächst die täglichen Verhaltensweisen, die dann wiederum zu veränderten Bewegungsprozessen führen und damit zu Störungen der Ökosystem-funktionen und zum Rückgang der biologischen Vielfalt beitragen. Im Hinblick auf die große Bedeutung der Landschaftsstruktur empfehle ich daher dringend die Größe der landwirtschaftlichen Felder zu verringern und die Vielfalt der Anbaukulturen zu erhöhen. Kleinräumige Naturerhaltungsmaßnahmen sollten die ganzjährige Bereitstellung von Habitaten mit geringer Vegetationshöhe und hochwertigem Futter sicherstellen. Dies kann durch den Anbau von Blühstreifen und der Schaffung bzw. dem Erhalt zusätzlicher (halb-)natürlicher Lebensräume erreicht werden. Diese Maßnahmen werden nicht nur dazu beitragen, die Populationen der Feldhasen und anderer Kulturfolgern zu vergrößern, sondern helfen auch dabei das Fortbestehen der „mobile links“ und der damit verbundenen Ökosystemfunktionen und –leistungen zu gewährleisten und zu schützen.
KW  - European hare
KW  - Feldhase
KW  - movemen ecology
KW  - Bewegungsökologie
KW  - agricultural landscapes
KW  - Agrarlandschaft
KW  - telemetry
KW  - Telemetrie
KW  - GPS
KW  - GPS
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427153
ER  - 
TY  - THES
A1  - Uhlig, Katja
T1  - Untersuchungen PEG-basierter thermo-responsiver Polymeroberflächen zur Steuerung der Zelladhäsion
T1  - Analysis of PEG-based thermo-responsive polymer surfaces to control cell adhesion
N2  - Moderne Methoden für die Einzelzellanalyse werden dank der fortschreitenden Weiterentwicklung immer sensitiver. Dabei steigen jedoch auch die Anforderungen an das Probenmaterial. Viele Aufbereitungsprotokolle adhärenter Zellen beinhalten eine enzymatische Spaltung der Oberflächenproteine, um die Ablösung vom Zellkultursubstrat zu ermöglichen. Verschiedene Methoden, wie die Patch-Clamp-Technik oder eine auf der Markierung extrazellulärer Domänen von Membranproteinen basierende Durchflusszytometrie können dann nur noch eingeschränkt eingesetzt werden. Daher ist die Etablierung neuer Zellablösemethoden dringend notwendig. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals PEG-basierte thermo-responsive Oberflächen erfolgreich für die Zellkultur eingesetzt. Dabei wird das zerstörungsfreie Ablösen verschiedener Zelllinien von den Oberflächen durch Temperatursenkung realisiert. Die Funktionalität der Oberflächen wird durch Variation der Polymerstruktur, sowie der Konzentration der Beschichtungslösung, durch Beschichtung der Oberflächen mit einem zelladhäsionsfördernden Protein (Fibronektin) und durch Adsorption zelladhäsionsvermittelnder Peptide (RGD) optimiert. Um den Zellablösungsprozess detaillierter zu untersuchen, wird hier zum ersten Mal der direkte Zellkontakt mit thermo-responsiven Oberflächen mittels oberflächensensitiver Mikroskopie (TIRAF) sichtbar gemacht. Mit dieser Technik sind die exakte Quantifizierung und die Analyse der Reduktion der Zelladhäsionsfläche während des Abkühlens möglich. Hierbei werden in Abhängigkeit von der Zelllinie Unterschiede im Zellverhalten während des Ablösens festgestellt: Zellen, wie eine Brustkrebszelllinie und eine Ovarzelllinie, die bekanntermaßen stärker mit ihrer Umgebung in Kontakt treten, vergrößern im Verlauf des Beobachtungszeitraumes den Abstand zwischen Zellmembran und Oberfläche, reduzieren jedoch ihre Zell-Substratkontaktfläche kaum. Mausfibroblasten hingegen verkleinern drastisch die Zelladhäsionsfläche. Der Ablösungsprozess wird vermutlich aktiv von den Zellen gesteuert. Diese Annahme wird durch zwei Beobachtungen gestützt: Erstens verläuft die Reduktion der Zelladhäsionsfläche bei Einschränkung des Zellmetabolismus durch eine Temperatursenkung auf 4 °C verzögert. Zweitens hinterlassen die Zellen Spuren, die nach dem Ablösen der Zellen auf den Oberflächen zurückbleiben. Mittels Kombination von TIRAF- und TIRF-Mikroskopie werden die Zelladhäsionsfläche und die Aktinstruktur gleichzeitig beobachtet. Die Verknüpfung beider Methoden stellt eine neue Möglichkeit dar, intrazelluläre Prozesse mit der Zellablösung von thermo-responsiven Oberflächen zu korrelieren.
N2  - Modern methods for single-cell analysis are becoming increasingly sensitive. At the same time, requirements for the sample material are on the rise. Today, sample preparation of adherent cells usually includes steps of enzymatic treatment to digest surface proteins thus, inducing cell detachment from culture substrates. This strongly limits the application of different techniques like patch clamp or labelling of extracellular domains of membrane proteins for flow cytometry. Therefore, a new cell detachment method is urgently required. In the present work, new PEG-based thermo-responsive polymers are used for cell culture for the first time. Here, non-destructive detachment of different cell lines from polymer-coated surfaces is realised by controlled temperature reduction. The surface functionality is systematically optimised by varying the concentration of the coating solutions, by artificial surface coating of a cell adhesion-mediating protein (fibronectin) and by co-adsorption of a cell adhesion-mediating peptide (RGD). For detailed analysis of the cell detachment process, TIRF microscopy is used to directly visualise the cell contacts on the thermo-responsive surfaces. Using this technique allows both the quantification and analysis of the reduction of the cell adhesion area during sample cooling. Furthermore, for several cell lines, different behaviours in cell detachment are observed. Cells that have close contact to their substrate like MCF-7 breast cancer cell line and CHO-K1 ovary cells increase the distance between cell membrane and surface, but there is only little decrease of cell-substrate adhesion area. In contrast, L929 fibroblasts reduce the cell adhesion area drastically. Furthermore, the hypothesis that the cell detachment is an active process is shown by lowering the cell metabolism by temperature reduction to 4 °C and by the cell traces that are left behind after rinsing the surfaces. A combination of TIRAF and TIRF enables visualising the cell adhesion area and actin structures. Measuring both parameters simultaneously opens up new possibilities to correlate intracellular and cell detachment processes on thermo-responsive surfaces.
KW  - thermo-responsive Polymere
KW  - Polyethylenglykol
KW  - TIRF
KW  - Zelladhäsion
KW  - thermo-responsive polymers
KW  - polyethylene glycol
KW  - TIRF
KW  - cell adhesion
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-47784
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tunn, Isabell
T1  - From single molecules to bulk materials: tuning the viscoelastic properties of coiled coil cross-linked hydrogels
N2  - The development of bioinspired self-assembling materials, such as hydrogels, with promising applications in cell culture, tissue engineering and drug delivery is a current focus in material science. Biogenic or bioinspired proteins and peptides are frequently used as versatile building blocks for extracellular matrix (ECM) mimicking hydrogels. However, precisely controlling and reversibly tuning the properties of these building blocks and the resulting hydrogels remains challenging. Precise control over the viscoelastic properties and self-healing abilities of hydrogels are key factors for developing intelligent materials to investigate cell matrix interactions. Thus, there is a need to develop building blocks that are self-healing, tunable and self-reporting. This thesis aims at the development of α-helical peptide building blocks, called coiled coils (CCs), which integrate these desired properties. Self-healing is a direct result of the fast self-assembly of these building blocks when used as material cross-links. Tunability is realized by means of reversible histidine (His)-metal coordination bonds. Lastly, implementing a fluorescent readout, which indicates the CC assembly state, self-reporting hydrogels are obtained.
Coiled coils are abundant protein folding motifs in Nature, which often have mechanical function, such as in myosin or fibrin. Coiled coils are superhelices made up of two or more α-helices wound around each other. The assembly of CCs is based on their repetitive sequence of seven amino acids, so-called heptads (abcdefg). Hydrophobic amino acids in the a and d position of each heptad form the core of the CC, while charged amino acids in the e and g position form ionic interactions. The solvent-exposed positions b, c and f are excellent targets for modifications since they are more variable. His-metal coordination bonds are strong, yet reversible interactions formed between the amino acid histidine and transition metal ions (e.g. Ni2+, Cu2+ or Zn2+). His-metal coordination bonds essentially contribute to the mechanical stability of various high-performance proteinaceous materials, such as spider fangs, Nereis worm jaws and mussel byssal threads. Therefore, I bioengineered reversible His-metal coordination sites into a well-characterized heterodimeric CC that served as tunable material cross-link. Specifically, I took two distinct approaches facilitating either intramolecular (Chapter 4.2) and/or intermolecular (Chapter 4.3) His-metal coordination.
Previous research suggested that force-induced CC unfolding in shear geometry starts from the points of force application. In order to tune the stability of a heterodimeric CC in shear geometry, I inserted His in the b and f position at the termini of force application (Chapter 4.2). The spacing of His is such that intra-CC His-metal coordination bonds can form to bridge one helical turn within the same helix, but also inter-CC coordination bonds are not generally excluded. Starting with Ni2+ ions, Raman spectroscopy showed that the CC maintained its helical structure and the His residues were able to coordinate Ni2+. Circular dichroism (CD) spectroscopy revealed that the melting temperature of the CC increased by 4 °C in the presence of Ni2+. Using atomic force microscope (AFM)-based single molecule force spectroscopy, the energy landscape parameters of the CC were characterized in the absence and the presence of Ni2+. His-Ni2+ coordination increased the rupture force by ~10 pN, accompanied by a decrease of the dissociation rate constant. To test if this stabilizing effect can be transferred from the single molecule level to the bulk viscoelastic material properties, the CC building block was used as a non-covalent cross-link for star-shaped poly(ethylene glycol) (star-PEG) hydrogels. Shear rheology revealed a 3-fold higher relaxation time in His-Ni2+ coordinating hydrogels compared to the hydrogel without metal ions. This stabilizing effect was fully reversible when using an excess of the metal chelator ethylenediaminetetraacetate (EDTA). The hydrogel properties were further investigated using different metal ions, i.e. Cu2+, Co2+ and Zn2+. Overall, these results suggest that Ni2+, Cu2+ and Co2+ primarily form intra-CC coordination bonds while Zn2+ also participates in inter-CC coordination bonds. This may be a direct result of its different coordination geometry.
Intermolecular His-metal coordination bonds in the terminal regions of the protein building blocks of mussel byssal threads are primarily formed by Zn2+ and were found to be intimately linked to higher-order assembly and self-healing of the thread. In the above example, the contribution of intra-CC and inter-CC His-Zn2+ cannot be disentangled. In Chapter 4.3, I redesigned the CC to prohibit the formation of intra-CC His-Zn2+ coordination bonds, focusing only on inter-CC interactions. Specifically, I inserted His in the solvent-exposed f positions of the CC to focus on the effect of metal-induced higher-order assembly of CC cross-links. Raman and CD spectroscopy revealed that this CC building block forms α-helical Zn2+ cross-linked aggregates. Using this CC as a cross-link for star-PEG hydrogels, I showed that the material properties can be switched from viscoelastic in the absence of Zn2+ to elastic-like in the presence of Zn2+. Moreover, the relaxation time of the hydrogel was tunable over three orders of magnitude when using different Zn2+:His ratios. This tunability is attributed to a progressive transformation of single CC cross-links into His-Zn2+ cross-linked aggregates, with inter-CC His-Zn2+ coordination bonds serving as an additional, cross-linking mode.
Rheological characterization of the hydrogels with inter-CC His-Zn2+ coordination raised the question whether the His-Zn2+ coordination bonds between CCs or also the CCs themselves rupture when shear strain is applied. In general, the amount of CC cross-links initially formed in the hydrogel as well as the amount of CC cross-links breaking under force remains to be elucidated. In order to more deeply probe these questions and monitor the state of the CC cross-links when force is applied, a fluorescent reporter system based on Förster resonance energy transfer (FRET) was introduced into the CC (Chapter 4.4). For this purpose, the donor-acceptor pair carboxyfluorescein and tetramethylrhodamine was used. The resulting self-reporting CC showed a FRET efficiency of 77 % in solution. Using this fluorescently labeled CC as a self-reporting, reversible cross-link in an otherwise covalently cross-linked star-PEG hydrogel enabled the detection of the FRET efficiency change under compression force. This proof-of-principle result sets the stage for implementing the fluorescently labeled CCs as molecular force sensors in non-covalently cross-linked hydrogels.
In summary, this thesis highlights that rationally designed CCs are excellent reversibly tunable, self-healing and self-reporting hydrogel cross-links with high application potential in bioengineering and biomedicine. For the first time, I demonstrated that His-metal coordination-based stabilization can be transferred from the single CC level to the bulk material with clear viscoelastic consequences. Insertion of His in specific sequence positions was used to implement a second non-covalent cross-linking mode via intermolecular His-metal coordination. This His-metal binding induced aggregation of the CCs enabled for reversibly tuning the hydrogel properties from viscoelastic to elastic-like. As a proof-of-principle to establish self-reporting CCs as material cross-links, I labeled a CC with a FRET pair. The fluorescently labelled CC acts as a molecular force sensor and first preliminary results suggest that the CC enables the detection of hydrogel cross-link failure under compression force. In the future, fluorescently labeled CC force sensors will likely not only be used as intelligent cross-links to study the failure of hydrogels but also to investigate cell-matrix interactions in 3D down to the single molecule level.
N2  - Die Entwicklung von biomimetischen Materialien, wie Hydrogelen, zur Anwendung in der Zellkultur und der regenerativen Medizin bildet einen aktuellen Schwerpunkt der Materialwissenschaften. Häufig werden natürlich vorkommende oder neu entwickelte Proteine als biomimetische Bausteine für Hydrogele genutzt, welche die extrazelluläre Umgebung von Zellen nachahmen. Gegenwärtig bleibt es jedoch eine Herausforderung, die Eigenschaften dieser Bausteine und der daraus entwickelten Materialien genau zu kontrollieren und gezielt maßzuschneidern. Jedoch stellen präzise kontrollierbare Materialeigenschaften einen Schlüsselfaktor für die Herstellung von intelligenten Materialen für die Zellkultur dar. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von α-helikalen Protein-Bausteinen, so genannter Coiled Coils (CCs), mit maßgeschneiderten, reversibel veränderbaren Eigenschaften. Dazu wurden reversible Histidin (His)-Metall-Koordinationsbindungen in ein CC Heterodimer eingefügt. Des Weiteren wurden Fluoreszenz-markierte CCs entwickelt, um das Verhalten der CC-Bausteine in Hydrogelen unter Krafteinwirkung zu untersuchen.
In der Natur kommen CCs oft als Faltungsmotive in Proteinen vor, die eine mechanische Funktion haben, z.B. Myosin oder Fibrin. CCs bestehen aus zwei bis sieben α-Helices, die eine Superhelix bilden. Die Aminosäuresequenz von CCs ist hoch repetitiv und besteht aus sieben sich wiederholenden Aminosäurepositionen (abcdefg). In den Positionen a und d befinden sich aliphatische Aminosäuren, die den hydrophoben Kern des CCs bilden. Die Positionen e und g werden durch geladene Aminosäuren besetzt, die ionische Bindungen eingehen. In den Lösungsmittel-exponierten Positionen, können diverse Aminosäure platziert werden. Daher sind diese Positionen für Modifikationen gut geeignet. His-Metall-Koordinationsbindungen sind stabile Bindungen der Aminosäure His mit Übergangsmetallionen, wie Ni2+, Cu2+ oder Zn2+. His-Metall-Koordinationsbindungen tragen entscheidend zur mechanischen Stabilität von verschiedenen Protein-basierten Biomaterialien bei, z.B. in den Fangzähnen von Spinnen oder in Byssusfäden von Miesmuscheln. Daher wurden His-Metall-Koordinationsstellen in dieser Arbeit verwendet, um ein gut charakterisiertes CC Heterodimer zu stabilisieren. Zwei verschiedene Ansätze wurden zur Stabilisierung des CCs, und den daraus synthetisierten Materialien, genutzt. Zum einen wurden die His-Metall-Koordinationsbindungen so im CC platziert, dass primär Koordination innerhalb einer Helix stattfindet (intra-CC) (Kapitel 4.2). Zum anderen wurde His in Positionen eingefügt, die nur Metall-Koordinationsbindungen zwischen den CCs erlauben (inter-CC) (Kapitel 4.3).
Bisherige Forschungsergebnisse zur mechanischen Entfaltung von CCs in der Schergeometrie lassen vermuten, dass die Entfaltung am Angriffspunkt der Kraft beginnt. Um die Stabilität einzelner CC Heterodimere in der Schergeometrie zu erhöhen, habe ich His-Metall Koordinationsbindungen in den Positionen b und f an den Enden der CC-Peptide einfügt (intra-CC), an denen die Scherkraft angreift (Kapitel 4.2). Mittels Raman Spektroskopie konnte ich zeigen, dass das His-modifizierte CC α-helikal bleibt und Ni2+ koordiniert. Zirkulardichroismus Spektroskopie wurde genutzt, um die thermodynamische Stabilität mit und ohne Ni2+ zu ermitteln. Unter Zugabe von Ni2+ erhöhte sich die Schmelztemperatur des CCs um 4 °C. Um die Energielandschaft der Entfaltung zu untersuchen, wurde Einzelmolekülkraftspektroskopie mit dem Rasterkraftmikroskop durchgeführt. His-Ni2+-Koordination führte zu einer Erhöhung der Abrisskraft um 10 pN und einer 10-fach verringerten Dissoziationskonstante. Die Koordination von Ni2+ führt demnach zu einer Stabilisierung des CCs. Um zu testen, ob der stabilisierende Effekt vom Einzelmolekül auf die viskoelastischen Eigenschaften von Hydrogelen übertragbar ist, wurde das CC als Vernetzungs-Baustein für sternförmiges Polyethylenglykol genutzt. Scherrheologie zeigte, dass die Relaxationszeit der CC-Hydrogele bei Zugabe von Ni2+ um das 3-fache erhöht ist. Dieser stabilisierende Effekt war vollkommen reversibel, wenn Metallchelatoren, wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) zugegeben wurden. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass Cu2+ und Co2+ intra-CC Koordinationsbindungen eingehen und einen ähnlichen Effekt auf die Relaxationszeit haben wie Ni2+, wohingegen Zn2+ auch zwischen verschiedenen CCs (inter-CC) koordiniert wurde.
Intermolekulare His-Zn2+-Koordination an den Enden der Protein-Bausteine von Byssusfäden ist essentiell für deren hierarchische Struktur und Selbstheilung nach mechanischer Belastung. Im oben beschriebenen CC kann der Effekt der intra- und inter-CC His-Zn2+-Koordination nicht klar voneinander getrennt werden. In Kapitel 4.3 wurden die His daher mit größerem Abstand in das CC eingefügt, so dass nur inter-CC Zn2+-Koordination möglich war. Raman und Zirkulardichroismus Spektroskopie zeigten, dass dieses CC unter Zugabe von Zn2+ aggregiert. Während sich die CC-Hydrogele ohne Zn2+ viskoelastisch verhielten, führte die Zugabe von Zn2+ zu annähernd elastischem Verhalten. Unter Verwendung von verschiedenen His:Zn2+ Verhältnissen, konnte die Relaxationszeit in einem großen Bereich gezielt verändert werden. Diese maßgeschneiderten Materialeigenschaften sind auf die schrittweise Umwandlung von einzelnen CC-Vernetzungen zu CC-Aggregaten mit inter-CC His-Zn2+-Koordination zurückzuführen.
Die Rheologiemessungen mit den His-Zn2+-vernetzten CC-Aggregaten werfen die Frage auf, ob die inter-CC His-Zn2+-Koordinationsbindungen oder die CCs selbst brechen, wenn eine Kraft wirkt. Im Allgemeinen sind die Mechanismen der Dissoziation von Vernetzern im Hydrogel unter Krafteinwirkung größtenteils unerforscht. Um diese zu beleuchten, wurde das CC mit einem Fluoreszenz-Reportersystem ausgestattet (Kapitel 4.4). Genauer gesagt, wurde ein Förster Resonanzenergietransfer (FRET) Paar (Carboxyfluorescein-Tetramethylrhodamin) an das CC gekoppelt. Die Effizienz des Energietransfers gibt in diesem System Aufschluss darüber, ob das CC assoziiert oder dissoziiert ist. Das FRET-markierte CC wurde als nicht-kovalenter, reversibler molekularer Kraftsensor in einem ansonsten kovalent vernetzten Hydrogel eingesetzt. Unter Kompression verringerte sich die FRET-Effizienz, was einen ersten Hinweise auf die Dissoziation des CCs darstellt. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass CCs hervorragende molekulare Kraftsensoren für biomimetische Materialien darstellen.
Diese Arbeit demonstriert, dass CCs mit maßgeschneiderten, reversibel manipulierbaren Eigenschaften exzellente Bausteine für Hydrogele sind, die in der Zellkultur und der regenerativen Medizin Verwendung finden können. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass einzelne CCs durch His-Metall-Koordinationsbindungen reversibel stabilisiert werden können und dass diese molekulare Stabilisierung direkt auf die viskoelastischen Materialeigenschaften von Hydrogelen übertragbar ist. Durch gezieltes Einfügen von intermolekularen His-Metall-Koordinationsbindungen gelang es, CC-Hydrogele mit einem zweiten übergeordneten His-Zn2+ basierten Vernetzungsmodus herzustellen. So konnte die Relaxationszeit der Hydrogele über einen weiten Bereich maßgeschneidert kontrolliert werden. Um CCs als molekulare Kraftsensoren in Materialien zu etablieren, wurde das CC Heterodimer mit einem FRET-Reportersystem ausgestattet. Erste Experimente deuten darauf hin, dass die Dissoziation des CCs im Hydrogel unter Krafteinwirkung optisch verfolgt werden kann. Zukünftig können CCs mit maßgeschneiderter Stabilität nicht nur als molekulare Kraftsensoren für Materialien, sondern auch zur Erforschung von Zell-Matrix Wechselwirkungen eingesetzt werden.
T2  - Von Molekülen zu Materialien: Coiled Coil-vernetzte Hydrogele mit maßgeschneiderten viskoelastischen Eigenschaften
KW  - biochemistry
KW  - coiled coil
KW  - histidine-metal coordination
KW  - Förster resonance energy transfer (FRET)
KW  - rheology
KW  - single-molecule force spectroscopy
KW  - Biochemie
KW  - Coiled Coil
KW  - Hydrogel
KW  - Histidin-Metall Koordination
KW  - Förster Resonanz Energie Transfer (FRET)
KW  - Rheologie
KW  - Einzelmolekülkraftspektroskopie
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475955
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tschöpe, Okka
T1  - Managing open habitats for species conservation : the role of wild ungulate grazing, small-scale disturbances, and scale
T1  - Offenlandmanagement für den Artenschutz : die Bedeutung von Wildtierbeweidung, kleinräumigen Störungen und der Maßstabsebene
N2  - During the last decades, the global change of the environment has caused a dramatic loss of habitats and species. In Central Europe, open habitats are particularly affected. The main objective of this thesis was to experimentally test the suitability of wild megaherbivore grazing as a conservation tool to manage open habitats. We studied the effect of wild ungulates in a 160 ha game preserve in NE Germany in three successional stages (i) Corynephorus canescens-dominated grassland, (ii) ruderal tall forb vegetation dominated by Tanacetum vulgare and (iii) Pinus sylvestris-pioneer forest over three years. Our results demonstrate that wild megaherbivores considerably affected species composition and delayed successional pathways in open habitats. Grazing effects differed considerably between successional stages: species richness was higher in grazed ruderal and pioneer forest plots, but not in the Corynephorus sites. Species composition changed significantly in the Corynephorus and ruderal sites. Grazed ruderal sites had turned into sites with very short vegetation dominated by Agrostis spp. and the moss Brachythecium albicans, most species did not flower. Woody plant cover was significantly affected only in the pioneer forest sites. Young pine trees were severely damaged and tree height was considerably reduced, leading to a “Pinus-macchie”-appearance. Ecological patterns and processes are known to vary with spatial scale. Since grazing by megaherbivores has a strong spatial component, the scale of monitoring success of grazing may largely differ among and within different systems. Thus, the second aim of this thesis was to test whether grazing effects are consistent over different spatial scales, and to give recommendations for appropriate monitoring scales. For this purpose, we studied grazing effects on plant community structure using multi-scale plots that included three nested spatial scales (0.25 m2, 4 m2, and 40 m2). Over all vegetation types, the scale of observation directly affected grazing effects on woody plant cover and on floristic similarity, but not on the proportion of open soil and species richness. Grazing effects manifested at small scales regarding floristic similarity in pioneer forest and ruderal sites and regarding species richness in ruderal sites. The direction of scale-effects on similarity differed between vegetation types: Grazing effects on floristic similarity in the Corynephorus sites were significantly higher at the medium and large scale, while in the pioneer forest sites they were significantly higher at the smallest scale. Disturbances initiate vegetation changes by creating gaps and affecting colonization and extinction rates. The third intention of the thesis was to investigate the effect of small-scale disturbances on the species-level. In a sowing experiment, we studied early establishment probabilities of Corynephorus canescens, a key species of open sandy habitats. Applying two different regimes of mechanical ground disturbance (disturbed and undisturbed) in the three successional stages mentioned above, we focused on the interactive effects of small-scale disturbances, successional stage and year-to-year variation. Disturbance led to higher emergence in a humid and to lower emergence in a very dry year. Apparently, when soil moisture was sufficient, the main factor limiting C. canescens establishment was competition, while in the dry year water became the limiting factor. Survival rates were not affected by disturbance. In humid years, C. canescens emerged in higher numbers in open successional stages while in the dry year, emergence rates were higher in late stages, suggesting an important role of late successional stages for the persistence of C. canescens. We conclude that wild ungulate grazing is a useful tool to slow down succession and to preserve a species-rich, open landscape, because it does not only create disturbances, thereby supporting early successional stages, but at the same time efficiently controls woody plant cover. However, wild ungulate grazing considerably changed the overall appearance of the landscape. Additional measures like shifting exclosures might be necessary to allow vulnerable species to flower and reproduce. We further conclude that studying grazing impacts on a range of scales is crucial, since different parameters are affected at different spatial scales. Larger scales are suitable for assessing grazing impact on structural parameters like the proportion of open soil or woody plant cover, whereas species richness and floristic similarity are affected at smaller scales. Our results further indicate that the optimal strategy for promoting C. canescens is to apply disturbances just before seed dispersal and not during dry years. Further, at the landscape scale, facilitation by late successional species may be an important mechanism for the persistence of protected pioneer species.
N2  - Der globale Wandel führte in den letzten Jahrzehnten zu einem drastischen Habitat- und Artenschwund, von dem in Mitteleuropa offene Lebensräume besonders betroffen sind. Hauptziel dieser Arbeit war es, experimentell zu untersuchen, ob Wildtierbeweidung eine geeignete Methode für das Offenlandmanagement ist. Der Wildtiereffekt wurde über drei Jahre in einem 160 ha großen Wildtiergehege im NO Deutschlands in drei Sukzessionsstadien untersucht: (i) Corynephorus canescens-dominierte Kurzgrasrasen, (ii) durch Tanacetum vulgare dominierte ruderale Staudenfluren und (iii) Pinus sylvestris-Vorwälder. Wildtierbeweidung beeinflusste die Artenzusammensetzung entscheidend und verzögerte die Sukzession, wobei sich die Beweidungseffekte zwischen den Sukzessionsstadien unterschieden. Die Artenzahl war in den beweideten Ruderal- und Vorwaldflächen deutlich höher als in den unbeweideten, nicht jedoch in den Corynephorus-Flächen. Die Artenzusammensetzung wurde in den Corynephorus- und den Ruderal-Flächen verändert. Ruderal-Flächen entwickelten sich durch die Beweidung zu einem durch Agrostis spp. dominierten Vegetationstyp mit niedriger Vegetationshöhe, in dem die meisten Arten nicht zur Blüte kamen. Die Gehölzdeckung wurde in den beweideten Vorwaldflächen signifikant reduziert. Junge Kiefern wurden stark geschädigt und in ihrer Wuchshöher reduziert. Analyse und Interpretation einer Untersuchung sind abhängig vom Beobachtungsmaßstab. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, zu testen, ob Beweidungseffekte über verschiedene räumliche Skalen konsistent sind, sowie Empfehlungen für geeignete Monitoring-Maßstäbe zu geben. Der Effekt von Wildtierbeweidung auf die Vegetation dreier Sukzessionsstadien wurde mittels genesteter Dauerflächen untersucht (0.25 m2, 4 m2, 40 m2). Über alle Vegetationstypen zusammen beeinflusste der Beobachtungsmaßstab den Beweidungseffekt auf die Gehölzdeckung sowie auf die floristische Ähnlichkeit, aber nicht auf den Anteil offenen Bodens und die Artenzahl. Betrachtet man die Vegetationstypen getrennt, so zeigte sich der Beweidungseffekt auf kleinen Skalen in den Vorwaldflächen und den ruderalen Flächen hinsichtlich der Ähnlichkeit und in den ruderalen Flächen hinsichtlich der Artenzahl. Die Richtung der Skaleneffekte auf die floristische Ähnlichkeit unterschied sich zwischen den Vegetationstypen: Während sich beweidete und unbeweidete Corynephorus-Flächen auf der mittleren und der großen Skala signifikant voneinander unterschieden, war dies im Kiefernvorwald auf der kleinsten Skala der Fall. Störungen führen zu Vegetationsveränderungen, die die Einwanderungs- und Aussterberaten von Arten beeinflussen. Das dritte Ziel dieser Arbeit war es, den Effekt kleinräumiger Störungen auf der Art-Ebene zu untersuchen sowie deren Interaktion mit dem Sukzessionsstadium und der jährlichen Variabilität. In einem Aussaatexperiment wurde das Etablierungsverhalten von Corynephorus canescens, einer Schlüsselart sandiger Offenhabitate, in drei Sukzessionsstadien und unter zwei Störungsregimes (gestört vs. ungestört) untersucht. In einem feuchten Jahr führten Störungen zu höheren, in einem trockenen Jahr dagegen zu niedrigeren Keimraten. Solange die Bodenfeuchtigkeit hoch genug war, war Konkurrenz der wichtigste limitierende Faktor für die Etablierung von C. canescens, während im trockenen Jahr Wasser zum entscheidenden Faktor wurde. Auf die Überlebensraten hatten Störungen keinen Einfluss. In feuchten Jahren waren die Keimraten in offenen Sukzessionsstadien höher, während sie im trockenen Jahr im späten Sukzessionsstadium höher waren. Spätere Sukzessionsstadien können also für die Persistenz von C. canescens eine wichtige Rolle spielen. Da Wildtierbeweidung sowohl Störungen verursacht und dadurch frühe Sukzessionsstadien fördert, als auch die Gehölzdeckung reduziert, ist sie eine besonders geeignete Maßnahme, um artenreiche, offene Landschaften zu erhalten. Sie kann jedoch zu teilweise drastischen Veränderungen der Landschaft führen, so dass zusätzliche Maßnahmen wie wechselnde Auskoppelungen notwendig sein können, um ein reiches Mosaik verschiedener Sukzessionsstadien mit einer hohen Gesamtartenzahl zu erhalten. Weiterhin ist die Untersuchung von Beweidungseffekten auf verschiedenen Maßstabsebenen von großer Bedeutung, da verschiedene Parameter auf unterschiedlichen Skalen beeinflusst werden. Größere Skalen sind geeignet, um den Beweidungseinfluss auf Strukturparameter wie den Anteil offenen Bodens oder der Gehölzdeckung zu erfassen, während für die Erfassung der Veränderung des Artenreichtums und der floristischen Ähnlichkeit kleinere Skalen besser geeignet sind. Unsere Ergebnisse zeigen außerdem, dass kleinräumige Störungen die Keimung von C. canescens fördern, wobei Störungen direkt vor der Samenausbreitung und nicht in trockenen Jahren durchgeführt werden sollten. Auf Landschaftsebene kann die Förderung durch Arten späterer Sukzessionsstadien ein wichtiger Mechanismus für die Persistenz geschützter Pionierarten sein.
KW  - Diversität
KW  - Sukzession
KW  - Etablierung
KW  - Corynephorus canescens
KW  - Maßstabsabhängigkeit
KW  - diversity
KW  - succession
KW  - establishment
KW  - Corynephorus canescens
KW  - scale dependence
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13218
ER  - 
TY  - THES
A1  - Trost, Gerda
T1  - Poly(A) Polymerase 1 (PAPS1) influences organ size and pathogen response in Arabidopsis thaliana
T1  - Poly(A) Polymerase 1 (PAPS1) beeinflusst die Organgröße und Pathogenantwort in Arabidopsis thaliana
N2  - Polyadenylation of pre-mRNAs is critical for efficient nuclear export, stability, and translation of the mature mRNAs, and thus for gene expression. The bulk of pre-mRNAs are processed by canonical nuclear poly(A) polymerase (PAPS). Both vertebrate and higher-plant genomes encode more than one isoform of this enzyme, and these are coexpressed in different tissues. However, in neither case is it known whether the isoforms fulfill different functions or polyadenylate distinct subsets of pre-mRNAs. This thesis shows that the three canonical nuclear PAPS isoforms in Arabidopsis are functionally specialized owing to their evolutionarily divergent C-terminal domains. A moderate loss-of-function mutant in PAPS1 leads to increase in floral organ size, whereas leaf size is reduced. A strong loss-of-function mutation causes a male gametophytic defect, whereas a weak allele leads to reduced leaf growth. By contrast, plants lacking both PAPS2 and PAPS4 function are viable with wild-type leaf growth. Polyadenylation of SMALL AUXIN UP RNA (SAUR) mRNAs depends specifically on PAPS1 function. The resulting reduction in SAUR activity in paps1 mutants contributes to their reduced leaf growth, providing a causal link between polyadenylation of specific pre-mRNAs by a particular PAPS isoform and plant growth. Additionally, opposite effects of PAPS1 on leaf and flower growth reflect the different identities of these organs. The overgrowth of paps1 mutant petals is due to increased recruitment of founder cells into early organ primordia whereas the reduced leaf size is due to an ectopic pathogen response. This constitutive immune response leads to increased resistance to the biotrophic oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis and reflects activation of the salicylic acid-independent signalling pathway downstream of ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1)/PHYTOALEXIN DEFICIENT4 (PAD4). Immune responses are accompanied by intracellular redox changes. Consistent with this, the redox-status of the chloroplast is altered in paps1-1 mutants. The molecular effects of the paps1-1 mutation were analysed using an RNA sequencing approach that distinguishes between long- and short tailed mRNA. The results shown here suggest the existence of an additional layer of regulation in plants and possibly vertebrate gene expression, whereby the relative activities of canonical nuclear PAPS isoforms control de novo synthesized poly(A) tail length and hence expression of specific subsets of mRNAs.
N2  - Polyadenylierung von prä-mRNAs ist entscheidend für den Export aus dem Zellkern, die Stabilität und die Translation der reifen mRNAs und dadurch für die Genexpression. Der Großteil der mRNAs wird durch sogenannte canonische Poly(A) Polymerasen (cPAPS) prozessiert. Die Genome von sowohl Wirbeltieren als auch Pflanzen kodieren mehr als eine Isoform dieser Enzyme, welche gleichzeitig in verschiedenen Geweben exprimiert werden. Es ist jedoch kein Beispiel bekannt, das zeigt, ob die verschiedenen Isoformen unterschiedliche Funktionen einnehmen bzw. verschiedene Untergruppen von mRNAs polyadenylieren. Diese Arbeit zeigt, dass drei canonische PAPS Isoformen in Arabidopsis thaliana aufgrund ihrer evolutionär unterschiedlichen C-terminalen Domänen spezialisierte Funktionen haben. Eine schwache Verlust-Mutation im PAPS1 Gen bewirkt eine Vergrößerung der Blütenorgane, während die Blattgröße vermindert ist. Eine starke Verlust-Mutation bewirkt zusätzlich einen Defekt der männlichen Keimzellen. Im Gegenzug dazu sind Mutanten des PAPS2 oder PAPS4 Gens gesund und zeigen ein normales Wachstum. Polyadenylierung von SMALL AUXIN UP RNA (SAUR) mRNAs hängt spezifisch von der Funktion von PAPS1 ab. Die daraus entstehende Reduzierung der SAUR Aktivität in den paps1 Mutanten trägt zur Verringerung der Blattgröße bei und stellt eine kausale Verbindung zwischen Polyadenylierung spezifischer mRNAs durch bestimmte PAPS Isoformen und Pflanzenwachstum dar. Zusätzlich spiegeln die unterschiedlichen Effekte von PAPS1 auf Blüten und Blätter die Identitäten dieser Organe wieder. Das übermäßige Wachstum der mutanten Petalen beruht auf einer erhöhten Anzahl an Gründer-Zellen im frühen Primordium, wohingegen die verminderte Blattgröße auf eine ektopische Pathogen Antwort zurückzuführen ist. Diese konstitutive Immunantwort bewirkt eine erhöhte Resistenz der Mutanten gegenüber dem biotrophen Oomyceten Hyaloperonospora arabidopsidis und reflektiert die Aktivierung des Salizylsäure unabhängigen Signalweges von ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1)/PHYTOALEXIN DEFICIENT4 (PAD4). Immunantworten sind von Veränderungen des intrazellulären Redoxpotenzials gekennzeichnet. Damit übereinstimmend zeigen die Chloroplasten der paps1-1 Mutanten ein verändertes Redoxpotenzial. Zur genaueren Aufklärung der molekularen Effekte der paps1 1 mutation wurde eine RNA-Sequenzierungsmethode verwendet, die zwischen mRNAs mit langem oder kurzem Poly(A) Schwanz unterscheidet. Die Aktivitäten der verschiedenen canonischen PAPS Isoformen kontrollieren die Länge des neu synthetisierten poly(A) Schwanzes und damit die Expression spezifischer Untergruppen von mRNAs. Dadurch lassen die hier gezeigten Ergebnisse eine weitere Ebene der Genregulierung in Pflanzen, und möglicherweise auch in anderen Eukaryoten, vermuten.
KW  - Polyadenylierung
KW  - Pathogenantwort
KW  - Organgröße
KW  - polyadenylation
KW  - pathogen response
KW  - organ size
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72345
ER  - 
TY  - THES
A1  - Troppmann, Britta
T1  - Klonierung und Charakterisierung aminerger Rezeptoren der Amerikanischen Schabe Periplaneta americana
T1  - Characterization of biogenic amine receptors of the american cockroach Periplaneta americana
N2  - Biogene Amine sind kleine organische Verbindungen, die sowohl bei Vertebraten als auch bei Invertebraten als Neurotransmitter, Neuromodulatoren und/oder Neurohormone wirken. Sie bilden eine bedeutende Gruppe von Botenstoffen und entfalten ihre Wirkungen vornehmlich über die Bindung an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Bei Insekten wurde eine Vielzahl von Wirkungen biogener Amine beschrieben. Das führte schon frühzeitig zur Vermutung, dass Insekten (u. a. Invertebraten) wie die Wirbeltiere ein diverses Repertoire an aminergen Rezeptoren besitzen. Für ein umfassendes Verständnis der komplexen physiologischen Wirkungen biogener Amine fehlten jedoch wichtige Informationen über die molekulare Identität der entsprechenden Rezeptorproteine und ihrer pharmakologischen Eigenschaften, ihre Lokalisation und ihre intrazellulären Reaktionspartner. Viele bei Schaben gut untersuchte (neuro)physiologische Prozesse sowie Verhaltensweisen werden durch Serotonin und Dopamin gesteuert bzw. moduliert. Über die beteiligten Rezeptoren ist jedoch bisher vergleichsweise wenig bekannt. Die Klonierung und Charakterisierung von Serotonin- und Dopaminrezeptoren der Amerikanischen Schabe P. americana ist damit ein längst überfälliger Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Verständnis der vielfältigen Wirkungen biogener Amine bei Insekten. Durch die Anwendung verschiedener Klonierungsstrategien konnten cDNAs isoliert werden, die für potentielle Serotoninrezeptoren und einen Dopaminrezeptor kodieren. Die Sequenzen weisen die größte Ähnlichkeit zu Mitgliedern der 5-HT1- und 5-HT7-Rezeptorklassen bzw. den Invertebratentyp-Dopaminrezeptoren auf. Die isolierten Rezeptoren der Amerikanischen Schabe wurden dementsprechend Pea(Periplaneta americana)5-HT1, Pea5-HT7 und PeaDop2 benannt. Das Hydropathieprofil dieser Rezeptoren postuliert das Vorhandensein der charakteristischen heptahelikalen Architektur G-Protein-gekoppelter Rezeptoren. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen zeigen typische Merkmale aminerger Rezeptoren. So sind Aminosäuren, die bedeutend für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G﷓Proteine sind, in den Rezeptoren konserviert. Expressionsstudien zeigten eine auffallend hohe Expression aller drei Rezeptor-mRNAs im Gehirn sowie in den Speicheldrüsen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden polyklonale Antikörper gegen den Pea5-HT1-Rezeptor sowie den PeaDop2-Rezeptor hergestellt. Der anti-Pea5-HT1-Antikörper detektiert im Homogenat von Schabengehirnen, Speicheldrüsen und Pea5-HT1-exprimierenden HEK 293-Zellen die glykosylierte Form des Rezeptors. In Gehirnschnitten markiert der anti-Pea5-HT1-Antikörper spezifisch einige Zellkörper in der Pars intercerebralis und deren Axone, welche in den Corpora cardiaca Nerv I projizieren. Der PeaDop2-Rezeptor wurde durch den spezifischen anti-PeaDop2-Antikörper in Neuronen mit Somata im anterioren Randbereich der Medulla nachgewiesen. Diese Neurone innervieren die optischen Loben und projizieren in das ventrolaterale Protocerebrum. Die intrazellulären Signalwege der heterolog exprimierten Pea5-HT1- und PeaDop2-Rezeptoren wurden in HEK 293-Zellen untersucht. Die Aktivierung des Pea5-HT1-Rezeptors durch Serotonin führt zur Hemmung der cAMP-Synthese. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Rezeptor konstitutive Aktivität besitzt. WAY 100635, ein hoch selektiver 5-HT1A-Rezeptorantagonist, wurde als wirksamer inverser Agonist am Pea5-HT1-Rezeptor identifiziert. Der stabil exprimierte PeaDop2-Rezeptor antwortet auf eine Aktivierung durch Dopamin mit einer Erhöhung der cAMP-Konzentration. Eine C-terminal trunkierte Variante dieses Rezeptors ist eigenständig nicht funktional. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit indizieren, dass die untersuchten aminergen Rezeptoren im zentralen Nervensystems der Schabe an der Informationsverarbeitung beteiligt sind und verschiedene physiologische Prozesse in peripheren Organen regulieren. Mit der Klonierung und funktionellen Charakterisierung der ersten Serotoninrezeptoren und eines Dopaminrezeptors ist damit eine wichtige Grundlage für die Untersuchung ihrer Funktionen geschaffen worden.
N2  - Biogenic amines are small organic compounds that act as neurotransmitters, neuromodulators and/or neurohormones in vertebrates and in invertebrates. They form an important group of messenger substances and mediate their diverse effects primarily by binding to G protein-coupled receptors. The molecular identification as well as the functional and pharmacological characterization of these receptors is crucial for the comprehension of the intracellular signaling pathways activated by biogenic amines. This work describes the molecular and functional characterization of the first serotonin receptors and an invertebrate-type dopamine receptor of the American cockroach, Periplaneta americana. Using a PCR-strategy based on degenerate primers and RACE-PCR three cDNAs encoding for putative biogenic amine receptors were isolated from P. americana brain cDNA (Pea5-ht1, Pea5-ht7, Peadop2). The deduced amino acid sequences display major characteristics common to all G protein-coupled receptors. Primarily Distribution of receptor mRNA was investigated by RT-PCR. The analysis revealed a high mRNA expression level for all three receptors in the brain and salivary glands. The distribution of the Pea5﷓HT1 and PeaDop2 receptor proteins was analyzed by immunohistochemistry with specific affinity-purified polyclonal antibodies. Both receptor proteins are expressed in brain and salivary glands. Furthermore the cellular distribution of the receptors was investigated by immunocytochemistry on brain sections. The anti-Pea5-HT1 receptor antibody specifically labelled some large somata in the pars intercerebralis. Labeled axons of these neurons pass down the anterior surface of the brain and cross over in the chiasma region of the corpora cardiaca nerve 1. The PeaDop2 receptor was detected in neurons with somata at the anterior edge of the medulla bilaterally innervating the optic lobes and projecting to the ventro-lateral protocerebrum. In order to clarify the functional and pharmacological properties of the cloned receptors, we studied HEK 293 cell lines stably expressing Pea5-HT1 or PeaDop2. Activation of Pea5-HT1 expressing cells by serotonin reduced adenylyl cyclase activity in a dose-dependent manner. The Pea5-HT1 receptor was expressed as a constitutively active receptor with methiothepin acting as a neutral antagonist and WAY 100635 as an inverse agonist. The activation of the PeaDop2 receptor by dopamine induced an increase in intracellular cAMP level, whereas a C-terminally truncated splice variant of this receptor does not exhibit any functional property by itself. The results of this work suggest important roles of the investigated receptors in various areas of the cockroach brain. The molecular and pharmacological characterization of the first serotonin receptors and a dopamine receptor of the cockroach now provides the basis for forthcoming studies regarding the significance of these particular receptors for cockroach behavior and physiology
KW  - Insekt
KW  - Dopamin
KW  - Serotonin
KW  - G-Protein-gekoppelte-Rezeptoren
KW  - insect
KW  - serotonin
KW  - dopamine
KW  - G-protein-coupled-receptors
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-36619
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tronci, Giuseppe
T1  - Synthesis, characterization, and biological evaluation of gelatin-based scaffolds
T1  - Synthese, Charakterisierung und biologische Evaluierung Gelatine-basierter Scaffolds
N2  - This work presents the development of entropy-elastic gelatin based networks in the form of films or scaffolds. The materials have good prospects for biomedical applications, especially in the context of bone regeneration. Entropy-elastic gelatin based hydrogel films with varying crosslinking densities were prepared with tailored mechanical properties. Gelatin was covalently crosslinked above its sol gel transition, which suppressed the gelatin chain helicity. Hexamethylene diisocyanate (HDI) or ethyl ester lysine diisocyanate (LDI) were applied as chemical crosslinkers, and the reaction was conducted either in dimethyl sulfoxide (DMSO) or water. Amorphous films were prepared as measured by Wide Angle X-ray Scattering (WAXS), with tailorable degrees of swelling (Q: 300-800 vol. %) and wet state Young’s modulus (E: 70 740 kPa). Model reactions showed that the crosslinking reaction resulted in a combination of direct crosslinks (3-13 mol.-%), grafting (5-40 mol.-%), and blending of oligoureas (16-67 mol.-%). The knowledge gained with this bulk material was transferred to the integrated process of foaming and crosslinking to obtain porous 3-D gelatin-based scaffolds. For this purpose, a gelatin solution was foamed in the presence of a surfactant, Saponin, and the resulting foam was fixed by chemical crosslinking with a diisocyanate. The amorphous crosslinked scaffolds were synthesized with varied gelatin and HDI concentrations, and analyzed in the dry state by micro computed tomography (µCT, porosity: 65±11–73±14 vol.-%), and scanning electron microscopy (SEM, pore size: 117±28–166±32 µm). Subsequently, the work focused on the characterization of the gelatin scaffolds in conditions relevant to biomedical applications. Scaffolds showed high water uptake (H: 630-1680 wt.-%) with minimal changes in outer dimension. Since a decreased scaffold pore size (115±47–130±49 µm) was revealed using confocal laser scanning microscopy (CLSM) upon wetting, the form stability could be explained. Shape recoverability was observed after removal of stress when compressing wet scaffolds, while dry scaffolds maintained the compressed shape. This was explained by a reduction of the glass transition temperature upon equilibration with water (dynamic mechanical analysis at varied temperature (DMTA)). The composition dependent compression moduli (Ec: 10 50 kPa) were comparable to the bulk micromechanical Young’s moduli, which were measured by atomic force microscopy (AFM). The hydrolytic degradation profile could be adjusted, and a controlled decrease of mechanical properties was observed. Partially-degraded scaffolds displayed an increase of pore size. This was likely due to the pore wall disintegration during degradation, which caused the pores to merge. The scaffold cytotoxicity and immunologic responses were analyzed. The porous scaffolds enabled proliferation of human dermal fibroblasts within the implants (up to 90 µm depth). Furthermore, indirect eluate tests were carried out with L929 cells to quantify the material cytotoxic response. Here, the effect of the sterilization method (Ethylene oxide sterilization), crosslinker, and surfactant were analyzed. Fully cytocompatible scaffolds were obtained by using LDI as crosslinker and PEO40 PPO20-PEO40 as surfactant. These investigations were accompanied by a study of the endotoxin material contamination. The formation of medical-grade materials was successfully obtained (<0.5 EU/mL) by using low-endotoxin gelatin and performing all synthetic steps in a laminar flow hood.
N2  - Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung Entropie-elastischer Gelatine-basierter Netzwerke als Filme und Scaffolds. Mögliche Anwendungen für die entwickelten Materialien liegen im biomedizinischen Bereich, insbesondere der Knochenregeneration. Im ersten Schritt der Arbeit wurden Entropie-elastische, Gelatine-basierte Hydrogel-Filme entwickelt, deren mechanische Eigenschaften durch die Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden konnten. Dazu wurde Gelatine in Lösung oberhalb der Gel-Sol-Übergangstemperatur kovalent quervernetzt, wodurch die Ausbildung helikaler Konformationen unterdrückt wurde. Als Quervernetzer wurden Hexamethylendiisocyanat (HDI) oder Lysindiisocyanat ethylester (LDI) verwendet, und die Reaktionen wurden in Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Wasser durchgeführt. Weitwinkel Röntgenstreuungs Spektroskopie (WAXS) zeigte, dass die Netzwerke amorph waren. Der Quellungsgrad (Q: 300-800 vol. %) und der Elastizitätsmodul (E: 70 740 kPa) konnten dabei durch die systematische Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden. Die Analyse der Quervernetzungsreaktion durch Modellreaktionen zeigte, dass die Stabilisierung der Hydrogele sowohl auf kovalente Quervernetzungen (3-13 mol.-%) als auch auf Grafting von (5-40 mol.-%) und Verblendung mit Oligoharnstoffen (16-67 mol.-%) zurückgeführt werden kann. Die Erkenntnisse aus dem Umgang mit dem Bulk-Material wurden dann auf einen integrierten Prozess der Verschäumung und chemischen Quervernetzung transferiert, so dass poröse, dreidimensionale Scaffolds erhalten wurden. Dafür wurde eine wässrige Gelatinelösung in Gegenwart eines Tensids, Saponin, verschäumt, und durch chemische Quervernetzung mit einem Diisocyanat zu einem Scaffold fixiert. Die Scaffolds hergestellt mit unterschiedlichen Mengen HDI und Gelatine, wurden im trockenen Zustand mittels Mikro Computertomographie (µCT, Porosität: 65±11–73±14 vol.-%) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Porengröße: 117±28–166±32) charakterisiert. Anschließend wurden die Scaffolds unter Bedingungen charakterisiert, die für biomedizinische Anwendungen relevant sind. Die Scaffolds nahmen große Mengen Wasser auf (H: 630 1680 wt.-%) bei nur minimalen Änderungen der äußeren Dimensionen. Konfokale Laser Scanning Mikroskopie zeigte, dass die Wasseraufnahme zu einer verminderten Porengröße führte (115±47–130±49 µm), wodurch die Formstabilität erklärbar ist. Eine Formrückstellung der Scaffolds wurde beobachtet, wenn Scaffolds im nassen Zustand komprimiert wurden und dann entlastet wurden, während trockene Proben in der komprimierten Formen blieben (kalte Deformation). Dieses Entropie-elastische Verhalten der nassen Scaffolds konnte durch die Verminderung der Glasübergangstemperatur des Netzwerks nach Wasseraufnahme erklärt werden (DMTA). Die zusammensetzungsabhängigen Kompressionsmoduli (Ec: 10 50 kPa) waren mit den mikromechanischen Young’s moduli vergleichbar, die mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wurden. Das hydrolytische Degradationsprofil konnte variiert werden, und während des Abbaus kam es nur zu kontrolliert-graduellen Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Während der Degradation konnte ein Anstieg der mittleren Porengröße beobachtet werden, was durch das Verschmelzen von Poren durch den Abbau der Wände erklärt werden kann. Die Endotoxinbelastung und die Zytotoxizität der Scaffolds wurden untersucht. Humane Haut-Fibroblasten wuchsen auf und innerhalb der Scaffolds (bis zu einer Tiefe von 90 µm). Indirekte Eluat-Tests mit L929 Mausfibroblasten wurden genutzt, um die Zytotoxizität der Materialien, insbesondere den Einfluss des Quervernetzertyps und des Tensids, zu bestimmen. Vollständig biokompatible Materialien wurden erzielt, wenn LDI als Quervernetzer und PEO40 PPO20-PEO40 als Tensid verwendet wurden. Durch den Einsatz von Gelatine mit geringem Endotoxin-Gehalt, und die Synthese in einer Sterilarbeitsblank konnten Materialien für medizinische Anwendungen (Endotoxin-Gehalt < 0.5 EU/mL) hergestellt werden.
KW  - Hydrogele
KW  - Polymer-Netzwerke
KW  - Gelatine
KW  - poröse Gerüste
KW  - Abbau
KW  - regenerative Medizin
KW  - hydrogels
KW  - polymer networks
KW  - gelatin
KW  - porous scaffolds
KW  - degradation
KW  - regenerative medicine
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49727
ER  - 
TY  - THES
A1  - Trippo, Ulrike
T1  - Körperbau, Körperzusammensetzung und Ernährungsgewohnheiten bei Erwachsenen in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht
N2  - Die vorliegende Arbeit ist eine aktuelle Dokumentation von Körperbau, Körperzusammensetzung und Ernährungsgewohnheiten an 708 jüngeren und älteren Männern und Frauen aus dem Bundesland Brandenburg. Der Körperbau wurde über ein 42 Längen-, Breiten-, Tiefen- und Umfangsmaße umfassendes anthropometrisches Untersuchungsprogramm bestimmt. Die Einschätzung von Gesamtkörperfettanteil und Magermasse erfolgte mit zwei Feldmethoden, der Hautfaltendickenmessung und der bioelektrischen Impedanzanalyse. Mit Hilfe eines semiquantitativen Fragebogens zu den Ernährungsgewohnheiten wurde der Lebensmittelverzehr erfasst und daraus die Energie- und Nährstoffaufnahme berechnet. Die Ergebnisse zum Körperbau zeigen im Mittel eine Abnahme der Längenmaße, jedoch eine Zunahme der Breiten-, Tiefen- und Umfangsmaße mit steigendem Erwachsenenalter. Einfache Parameter zur Beurteilung des Ernährungszustandes, wie Körpermasse und Body-Mass-Index (BMI) nehmen im Alter geschlechtsspezifisch zu. Nach den Richtlinien der WHO für den BMI gelten 55,3% der untersuchten Männern als übergewichtig, davon 10% als adipös. Von allen untersuchten Frauen sind 41,6% übergewichtig, davon sind 14,3% adipös. Der Anteil der Übergewichtigen ist zwar beim weiblichen Geschlecht geringer, aber dafür haben mehr Frauen die Grenze zur Adipositas überschritten. Für eine wissenschaftlich exakte Beurteilung des Ernährungszustandes reichen Körpermasse und BMI nicht aus, da sie die Körperzusammensetzung nicht bzw. nicht genügend berücksichtigen. Die subkutane Fettschichtdicke nimmt insbesondere am Rumpf zu, was als zusätzliches Gesundheitsrisiko gilt. Der Gesamtkörperfettanteil steigt im Erwachsenenalter abhängig von der Berechnungsmethode an. Die untersuchten Frauen sind gegenüber den Männern in allen Altersgruppen durch einen etwa ein Drittel höheren Körperfettanteil gekennzeichnet. Die tägliche Nahrungsenergieaufnahme der untersuchten Personen lässt eine abnehmende Tendenz bis zum 65. Lebensjahr erkennen. Trotz einer sinkenden Nahrungsenergieaufnahme im Alter, nimmt der BMI zu. Mögliche Ursachen hierfür werden in der Arbeit diskutiert. Der Anteil der Grundnährstoffe an der Energiebereitstellung entspricht in keiner der untersuchten Gruppen den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung. Allgemein ist der Fettkonsum zu hoch und der Kohlenhydratanteil zu gering. Das zeigt sich besonders in den beiden mittleren untersuchten Altersgruppen und bei den Männern stärker als bei den Frauen.
N2  - The objective of the present study was an analysis of body build, body composition and nutritional habits. 708 young and elderly men and women of Germany (Brandenburg) have been examined. The test persons underwent a detailed anthropometric examination encompassing 42 length, breadth, depth and circumference measurements. The total body fat and lean body mass were determined by means of two field methods - skinfold thickness measurements and bioelectrical impedance analysis. Dietary intake was assessed by a semiquantitative food frequency questionnaire. The results concerning body build show on average a decrease of length measurements, however, an increase of breadths, depths and circumferences during adult age. Simple parameters for estimation of nutritional status like Body mass and Body-Mass-Index (BMI) rise during adulthood clearly depending on sex. Following the BMI-recommendations of the WHO 55.3% of men investigated are overweight out of this 10% are adipose. From all women investigated 41.6% are overweight out of this 14.6% are obese or adipose. The portion of overweight persons is certainly lower in women but on the other hand women exceed more often the limit of adiposity. For a scientifically correct assessment of the nutritional status body mass and BMI are not sufficient because body composition is not included. Subcutaneous fat layer increases in particular at the trunk. This abdominal fat distribution is an additional health risk. Total body fat increases during adult age depending on the method used. Women show in all investigated age groups a significantly higher total body fat content compared with men (about one third more). During adulthood the energy intake in men and women tends to decrease more and more. Energy intake and BMI show an inverse trend: While energy intake decreases by age, the BMI rises. Possible reasons for that were discussed. Intake of basic nutrients does not meet the recommendations of the German Association of Nutrition. In general the intake of fat is too high and the intake of carbohydrates is too low. This can be especially seen in the two middle-aged groups investigated. In men this unhealthy trend is higher than in women.
KW  - Körperzusammensetzung
KW  - BMI
KW  - BIA
KW  - Anthropometrie
KW  - Ernährungsgewohnheiten
KW  - Ernährungszustand
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000306
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TY  - THES
A1  - Trescher, Karoline
T1  - Cokulturtestsystem für die Untersuchung des Einflusses physikochemischer Eigenschaften von Copolymeren auf das Verhalten von Keratinozyten und Fibroblasten
T1  - Coculture test system for the investigation of the influence of physicochemical properties of copolymers on the behaviour of keratinocytes and fibroblasts
N2  - Chemische und physikalische Eigenschaften von Polymeren können verschiedene Zelltypen unterschiedlich, z. B. hinsichtlich Adhärenz oder Funktionalität, beeinflussen. Die Elastizität eines Polymers beeinflusst vor allem, welche Zugkräfte eine Zelle gegenüber ihrem Substrat entwickeln kann. Das Zellverhalten wird dann über intrazelluläre Rückkopplungsmechanismen reguliert. Die Oberflächenladung und/oder Hydrophilie eines Polymers beeinflusst zunächst die Adsorption von Ionen, Proteinen und anderen Molekülen. Vor allem über die Zusammensetzung, Dichte und Konformation der adsorbierten Komponenten werden anschließend die Wechselwirkungen mit den Zellen vermittelt. Des Weiteren können verschiedene Zelltypen unterschiedliche membranassoziierte Proteine, Zucker und Lipide aufweisen, so dass Polymereigenschaften zellspezifische Effekte bewirken können. Für biotechnologische Anwendungen und für den Einsatz in der regenerativen Medizin gewinnen Polymere, die spezifische Zellreaktionen regulieren können, immer weiter an Bedeutung. Die Isolierung und Kultur von primären Keratinozyten ist noch immer anspruchsvoll und die adäquate Heilung von Hautwunden stellt eine fortwährende medizinische Herausforderung dar. Ein Polymer, das eine bevorzugte Adhärenz von Keratinozyten bei gleichzeitig verminderter Anheftung dermaler Fibroblasten ermöglicht, würde erhebliche Vorteile für den Einsatz in der Keratinozyten-Zellkultur und als Wundauflage bieten. Um den potentiell spezifischen Einfluss bestimmter Polymereigenschaften auf primäre humane Keratinozyten und dermale Fibroblasten zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Zellkultursystem für die Mono- und Cokultur beider Zelltypen entwickelt. Das Testsystem wurde als Screening konzipiert, um den Einfluss unterschiedlicher Polymereigenschaften in mehreren Abstufungen auf die Zellen zu untersuchen. Folgende Parameter wurden untersucht: 1. Vitalität und Dichte adhärenter und nicht-adhärierter Zellen, 2. Schädigung der Zellmembran, 3. selektive Adhärenz von Keratinozyten in Cokultur durch die spezifische immunzytochemische Färbung von Keratin14 und Vimentin. Für die Polymere mit variabler Elastizität wurden zusätzlich die Ablagerung extrazellulärer Matrixkomponenten und die Sekretion löslicher Faktoren durch die Zellen untersucht. Als Modellpolymere für die Variation der Elastizität wurden vernetzte Poly(n-butylacrylate) (cPnBA) verwendet, da deren Elastizität durch den Anteil des Vernetzers eingestellt werden kann. Auf dem weniger elastischen cPnBA zeigte sich in der Cokultur ein doppelt so hohes Verhältnis von Keratinozyten zu Fibroblasten wie auf dem elastischeren cPnBA, so dass ein leichter zellselektiver Effekt angenommen werden kann. Acrylnitril-basierte Copolymere wurden als Modellpolymere für die Variation der Oberflächenladung und Hydrophilie verwendet, da die Eigenschaften durch Art und molaren Anteil des Comonomers eingestellt werden können. Durch Variation des molaren Anteils der Comonomere mit positiver bzw. negativer Ladung, Methacrylsäure-2-aminoethylester-hydrochhlorid (AEMA) und N-3-Aminopropyl-methacrylamid-hydro-chlorid (APMA) bzw. Natriumsalz der 2-Methyl-2-propen-1-sulfonsäure (NaMAS), wurde der Anteil der positiven bzw. negativen Ladung im Copolymer variiert. Durch die Erhöhung des molaren Anteils des hydrophilen Comonomers N-Vinylpyrrolidon (NVP) wurde die Hydrophilie des Copolymers gesteigert. Die Erhöhung des molaren Anteils an positiv geladenem Comonomer AEMA im Copolymer führte tendenziell zu einer höheren Keratinozytendichte, wobei die Fibroblastendichte unverändert blieb. Durch die Erhöhung des molaren Anteils des positiv geladenen Comonomers APMA ergaben sich keine deutlichen Unterschiede in Dichte, Vitalität oder Selektivität der Zellen. Durch die stufenweise Erhöhung des molaren Anteils des negativ geladenen Comonomers NaMAS konnte, wie im Falle von AEMA, eine Tendenz zur verbesserten Keratinozytenadhärenz beobachtet werden. Die Steigerung der Hydrophilie der Copolymere führte sowohl für Keratinozyten als auch für Fibroblasten zu einer reduzierten Adhärenz und Vitalität. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein Testverfahren etabliert, das die Untersuchung von primären humanen Keratinozyten und primären humanen Fibroblasten in Monokultur und Cokultur auf verschiedenen Polymeren ermöglicht. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass sich durch die gezielte Modifizierung verschiedener Polymereigenschaften die Adhärenz und Vitalität beider Zelltypen beeinflussen lässt. Die Reduktion der Elastizität sowie die Erhöhung des molaren Anteils geladener Comonomere führten zu einer Zunahme der Keratinozytenadhärenz. Da die Fibroblasten unbeeinflusst blieben, zeigte sich für einige der untersuchten Polymere eine leichte Zellselektivität. Diese könnte durch die weitere Erhöhung der Steifigkeit oder des Anteils geladener Comonomere möglicherweise weiter gesteigert werden.
N2  - Chemical and physical properties of polymers can influence various cell types, e.g. concerning adherence and functionality. For instance, the elasticity of a polymer can influence, which pulling force a cell can generate towards a substrate. According to the cell type, its behavior can be controlled by intracellular feedback mechanisms. The surface charge and/or hydrophilicity of a polymer initially influence the adsorption of ions, proteins and other molecules. In particular, the composition, density, and conformation of the adsorbed components mediate the cell-material interactions. Since different cell types present varying cell membrane associated proteins, sugars and lipids, it is assumed that polymer properties can induce cell specific effects. Polymers, which can regulate specific cell reactions, become more and more important for biotechnological uses and applications in the regenerative medicine. The isolation and culture of primary keratinocytes is still challenging and an adequate wound healing remains a clinical task. A polymer, which enables a preferential adherence of keratinocytes and induces a reduced adherence of dermal fibroblasts, would provide enormous advantages for keratinocyte culture systems as well as for wound dressings. To investigate the specific influence of certain polymer properties on primary human keratinocytes and fibroblasts, a cell culture system for mono- and coculture of both cell types was established. The test system was designed as a screening to investigate the influence of polymers with gradations of different properties on the cells. Thereby, the viability and density of adherent and not adhered cells, as well as the impairment of the cell membranes were analyzed in mono- and cocultures, and the selective adherence of keratinocytes in the coculture was evaluated using a specific immunocytochemical staining for keratin14 and vimentin. Furthermore, the deposition of extracellular matrix components and the secretion of soluble factors were analyzed for the elastic polymers. Since the elasticity of crosslinked poly(n-butylacrylate) (cPnBA) networks can be adjusted by the amount of the crosslinker, they were used as model polymers to investigate the influence of varying elasticity to the cells. On the less elastic cPnBA, the ratio of keratinocytes to fibroblasts was increased compared to the more elastic one. From these results, a slight cell selective effect can be assumed. Acrylonitrile-based copolymers were used as model polymers for the variation of surface charge and hydrophilicity, since their properties can be modified by the type and molar ratio of comonomers. By the variation of the molar ratio of positively charged comonomers (Methacrylic acid-2-aminoethylester hydrochloride (AEMA) and N-3-aminopropyl methacrylamide hydrochloride (APMA)), or a negatively charged comonomer (2-methyl-2-propene-1-sulfonic acid sodium salt (NaMAS)), the amount of positive or negative charges was modified. The hydrophilicity was increased by the molar ratio of the hydrophilic comonomer N-vinylpyrrolidone (NVP). With an increased molar ratio of the positively charged comonomer AEMA, a tendency towards a higher density of adherent keratinocytes could be shown, whereby, the density of adherent fibroblasts remained unaffected. With increasing molar ratios of the positively charged comonomer APMA, no differences between cell densities, viability or selectivity were detectable. Comparable to AEMA, a tendency towards improved keratinocyte adhesion could be shown with an increasing molar ratio of the negatively charged comonomer NaMAS. The increase of the hydrophilicity of the copolymers led to a reduced adherence and viability of the keratinocytes, as well as of the fibroblasts. In conclusion, a test system was established, which enables the evaluation of primary human keratinocytes and fibroblasts in contact with different polymers in monoculture, as well as in coculture. Furthermore, the present thesis shows that directed modifications of polymer properties influenced the adherence and viability of both cell types. The decrease of elasticity and the increase of the molar ratio of charged comonomers led to an increased keratinocyte adherence. Since the fibroblasts remained unaffected, slight cell selectivity was shown. By further increasing the stiffness or the amount of charged comonomers, further enhancement of this effect might be possible.
KW  - Keratinozyten
KW  - Fibroblasten
KW  - Cokultur
KW  - Copolymere
KW  - Elastizitätsmodul
KW  - Oberflächenladung
KW  - Hydrophilie
KW  - keratinocytes
KW  - fibroblasts
KW  - coculture
KW  - copolymers
KW  - elastic modulus
KW  - surface charge
KW  - hydrophilicity
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62915
ER  - 
TY  - THES
A1  - Treplin, Simone
T1  - Inference of phylogenetic relationships in passerine birds (Aves: Passeriformes) using new molecular markers
T1  - Neue molekulare Marker für die Phylogenie der Sperlingsvögel (Aves: Passeriformes)
N2  - The aim of this study was to provide deeper insights in passerine phylogenetic relationships using new molecular markers. The monophyly of the largest avian order Passeriformes (~59% of all living birds) and the division into its suborders suboscines and oscines are well established. Phylogenetic relationships within the group have been extremely puzzling, as most of the evolutionary lineages originated through rapid radiation. Numerous studies have hypothesised conflicting passerine phylogenies and have repeatedly stimulated further research with new markers. In the present study, I used three different approaches to contribute to the ongoing phylogenetic debate in Passeriformes. I investigated the recently introduced gene ZENK for its phylogenetic utility for passerine systematics in combination and comparison to three already established nuclear markers. My phylogenetic analyses of a comprehensive data set yielded highly resolved, consistent and strongly supported trees. I was able to show the high utility of ZENK for elucidating phylogenetic relationships within Passeriformes. For the second and third approach, I used chicken repeat 1 (CR1) retrotransposons as phylogenetic markers. I presented two specific CR1 insertions as apomorphic characters, whose presence/absence pattern significantly contributed to the resolution of a particular phylogenetic uncertainty, namely the position of the rockfowl species Picathartes spp. in the passerine tree. Based on my results, I suggest a closer relationship of these birds to crows, ravens, jays, and allies. For the third approach, I showed that CR1 sequences contain phylogenetic signal and investigated their applicability in more detail. In this context, I screened for CR1 elements in different passerine birds, used sequences of several loci to construct phylogenetic trees, and evaluated their reliability. I was able to corroborate existing hypotheses and provide strong evidence for some new hypotheses, e.g. I suggest a revision of the taxa Corvidae and Corvinae as vireos are closer related to crows, ravens, and allies. The subdivision of the Passerida into three superfamilies, Sylvioidea, Passeroidea, and Muscicapoidea was strongly supported. I found evidence for a split within Sylvioidea into two clades, one consisting of tits and the other comprising warblers, bulbuls, laughingthrushes, whitethroats, and allies. Whereas Passeridae appear to be paraphyletic, monophyly of weavers and estrild finches as a separate clade was strongly supported. The sister taxon relationships of dippers and the thrushes/flycatcher/chat assemblage was corroborated and I suggest a closer relationship of waxwings and kinglets to wrens, tree-creepers, and nuthatches.
N2  - Das Ziel dieser Arbeit war es, mittels neuer molekularer Marker zusätzliche Informationen über die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse der Sperlingsvögel (Passeriformes) zu erhalten. Die Monophylie der Passeriformes, der größten Vogelgruppe (~59% aller lebenden Arten), sowie ihrer Unterteilung in Suboscines und Oscines sind gut belegt. Die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb dieser Gruppen sind jedoch seit jeher sehr schwer zu entschlüsseln, da sich die meisten Linien durch eine schnelle Radiation entwickelten. Zahlreiche Studien haben verschiedene Hypothesen zur Phylogenie der Sperlingsvögel aufgestellt und damit die Suche nach neuen Markern initiiert. In meiner Untersuchung habe ich drei verschiedene Ansätze benutzt, um zur Klärung der Phylogenie beizutragen. Ich untersuchte das kürzlich als Marker eingeführte ZENK-Gen im Hinblick auf seinen Nutzen in der Systematik der Sperlingsvögel in Kombination und im Vergleich zu drei bereits etablierten nukleären Markern. Meine phylogenetischen Analysen eines umfassenden Datensatzes ergaben hoch aufgelöste, konsistente und stark unterstütze Stammbäume, so dass ich den hohen Nutzwert des ZENK-Gens für die Klärung phylogenetischer Verwandtschaftsverhältnisse der Passeriformes zeigen konnte. Für den zweiten und dritten Ansatz habe ich Chicken Repeat 1 (CR1) Retrotransposons als phylogenetische Marker benutzt. Anhand zweier spezifischer CR1 Insertionen als apomorphe Merkmale und deren Insertionsmuster in verschiedenen Sperlingsvögeln konnte ich die phylogenetische Position der afrikanischen Felshüpfer, Picathartes spp., klären. Aufgrund meiner Ergebnisse schließe ich auf eine engere Verwandtschaft der Felshüpfer zu den Rabenvögeln. Durch meinen dritten Ansatz konnte ich nachweisen, dass CR1-Sequenzen phylogenetische Informationen enthalten, und untersuchte detailliert deren Anwendung als Marker. Dafür habe ich in verschiedenen Sperlingsvögeln nach CR1 Elementen gesucht und mit einigen dieser Sequenzen Stammbäume berechnet, um die Verlässlichkeit der Marker zu überprüfen. Durch meine Untersuchungen konnte ich existierende Hypothesen stützen und zusätzlich starke Hinweise auf neue Hypothesen finden. Beispielsweise schlage ich eine Revision der Taxa Corvidae und Corvinae vor, da Vireos eng mit den Rabenvögeln verwandt sind. Die Unterteilung der Passerida in die drei Unterfamilien Sylvioidea, Passeroidea und Muscicapoidea konnte deutlich bestätigt werden. Ich habe Hinweise auf eine Trennung der Sylvioidea in zwei taxonomische Gruppen erhalten, einer bestehend aus Meisen und Verwandten und der andere aus Grasmücken, Bülbüls, Häherlingen, Brillenvögeln und Verwandten. Während die Passeridae paraphyletisch sind, wurde die Monophylie der Weber und Astrilden als ein eigenes Taxon unterstützt. Das Schwestergruppenverhältnis zwischen Wasseramseln und dem Drossel/Fliegenschnäpper/Schmätzer-Taxon wurde ebenfalls bestätigt. Außerdem habe ich Hinweise auf eine nähere Verwandtschaft zwischen Seidenschwänzen und Goldhähnchen zu Zaunkönigen, Baumläufern und Kleibern gefunden.
KW  - Passeriformes
KW  - Phylogenie
KW  - ZENK
KW  - Retrotransposon
KW  - Chicken Repeat
KW  - Passeriformes
KW  - phylogeny
KW  - ZENK
KW  - retrotransposon
KW  - chicken repeat 1
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-11230
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tirok, Katrin
T1  - Predator-prey dynamics under the influence of exogenous and endogenous regulation : a data-based modeling study on spring plankton with respect to climate change
T1  - Räuber-Beute Beziehungen unter dem Einfluss exogener und endogener Regulation : eine datenbasierte Modellstudie zur Planktonentwicklung im Frühjahr mit Bezug auf den Klimawandel
N2  - Understanding the interactions of predators and their prey and their responses to environmental changes is one of the striking features of ecological research. In this thesis, spring dynamics of phytoplankton and its consumers, zooplankton, were considered in dependence on the environmental conditions in a deep lake (Lake Constance) and a shallow marine water (mesocosms from Kiel Bight), using descriptive statistics, multiple regression models, and process-oriented dynamic simulation models. The development of the spring phytoplankton bloom, representing a dominant feature in the plankton dynamics in temperate and cold oceans and lakes, may depend on temperature, light, and mixing intensity, and the success of over-wintering phyto- and zooplankton. These factors are often correlated in the field. Unexpectedly, irradiance often dominated algal net growth rather than vertical mixing even in deep Lake Constance. Algal net losses from the euphotic layer to larger depth were induced by vertical mixing, but were compensated by the input from larger depth when algae were uniformly distributed over the water column. Dynamics of small, fast-growing algae were well predicted by abiotic variables, such as surface irradiance, vertical mixing intensity, and temperature. A simulation model additionally revealed that even in late winter, grazing may represent an important loss factor of phytoplankton during calm periods when losses due to mixing are small. The importance of losses by mixing and grazing changed rapidly as it depended on the variable mixing intensity. Higher temperature, lower global irradiance and enhanced mixing generated lower algal biomass and primary production in the dynamic simulation model. This suggests that potential consequences of climate change may partly counteract each other. The negative effect of higher temperatures on phytoplankton biomass was due to enhanced temperature-sensitive grazing losses. Comparing the results from deep Lake Constance to those of the shallow mesocosm experiments and simulations, confirmed the strong direct effect of light in contrast to temperature, and the importance of grazing already in early spring as soon as moderate algal biomasses developed. In Lake Constance, ciliates dominated the herbivorous zooplankton in spring. The start of ciliate net growth in spring was closely linked to that of edible algae, chlorophyll a and the vertical mixing intensity but independent of water temperature. The duration of ciliate dominance in spring was largely controlled by the highly variable onset of the phytoplankton bloom, and little by the less variable termination of the ciliate bloom by grazing of meta-zooplankton. During years with an extended spring bloom of algae and ciliates, they coexisted at relatively high biomasses over 15-30 generations, and internally forced species shifts were observed in both communities. Interception feeders alternated with filter feeders, and cryptomonads with non-cryptomonads in their relative importance. These dynamics were not captured by classical 1-predator-1-prey models which consistently predict pronounced predator-prey cycles or equilibria with either the predator or the prey dominating or suppressed. A multi-species predator-prey model with predator species differing in their food selectivity, and prey species in their edibility reproduced the observed patterns. Food-selectivity and edibility were related to the feeding and growth characteristics of the species, which represented ecological trade-offs. For example, the prey species with the highest edibility also had the highest maximum growth rate. Data and model revealed endogenous driven ongoing species alternations, which yielded a higher variability in species-specific biomasses than in total predator and prey biomass. This holds for a broad parameter space as long as the species differ functionally. A more sophisticated model approach enabled the simulation of a continuum of different functional types and adaptability of predator and prey communities to altered environmental conditions, and the maintenance of a rather low model complexity, i.e., low number of equations and free parameters. The community compositions were described by mean functional traits --- prey edibility and predator food-selectivity --- and their variances. The latter represent the functional diversity of the communities and thus, the potential for adaptation. Oscillations in the mean community trait values indicated species shifts. The community traits were related to growth and grazing characteristics representing similar trade-offs as in the multi-species model. The model reproduced the observed patterns, when nonlinear relationships between edibility and capacity, and edibility and food availability for the predator were chosen. A constant minimum amount of variance represented ongoing species invasions and thus, preserved a diversity which allows adaptation on a realistic time-span.
N2  - Eine der großen Herausforderungen der heutigen ökologischen Forschung ist es, Veränderungen von Ökosys­temen vorher­zusagen, die mit dem Klimawandel einhergehen. Dafür sind ein umfassendes Verständnis der ver­schiedenen Steuerungsfaktoren des entsprechenden Systems und Kenntnisse zur Anpassungs­fähigkeit des Systems nötig. Auf der Grundlage dieses Wissens, können mit mathemati­schen Modellen Klima­szenarien gerechnet und Vorhersagen erstellt werden. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Regulation des Phytoplanktons (kleine freischwebende einzellige Algen) und seiner Konsumenten (Zooplankton, tierische Kleinstlebewesen) sowie deren Wechselspiel während des Frühjahrs mit Bezug auf den Klimawandel. Als Basis dienten langjährige Daten von einem großen tiefen See (Bodensee) sowie Daten von Versuchen mit Organis­men aus einem flachen marinen Ge­wässer (Kieler Förde, Ostsee). Diese Daten wurden mit statistischen Verfahren und mathematischen Modellen ausge­wertet. In Gewässern sind Algen als Primärproduzenten die Nahrungsgrundlage für tieri­sche Organismen bis hin zu Fischen und Meeresfrüchten, und bestimmen die Wasserqualität der Ge­wässer. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Mechanismen die Dynamik der Algen steuern. Der Grundstein für die saisonale Entwicklung von Phyto- und Zooplankton in Gewässern un­serer Breiten wird mit dem Be­ginn des Wachstums im Frühjahr gelegt. Diese Arbeit zeigt, dass es bereits im zeitigen, noch kalten Frühjahr ein Wechselspiel physikalischer und biologischer Steuerungsmechanismen für die Algenent­wicklung gibt. Physikalische Faktoren sind die Wassertemperatur, die Globalstrahlung und die Durchmischung des Gewässers, die durch die Stärke des Windes beeinflusst wird. All diese Steue­rungsmechanismen sind eng miteinander verwoben und werden unterschiedlich stark vom Klimawan­del beeinflusst. Mit mathematischen Modellen gelang es den Einfluss einzelner Faktoren voneinander zu trennen und zu zeigen, dass Effekte durch den Klimawandel sich gegenseitig aufheben oder aber auch verstärken können. Schon geringe Änderungen an der Basis der Nahrungsnetze können weitrei­chende Auswirkungen auf höhere Ebenen habe. Wie stark diese Auswirkungen im Einzelnen sind, hängt entscheidend von der Anpassungsfähigkeit gesamter Ökosysteme und ihrer Artengemeinschaf­ten sowie einzelner Individuen ab. Beispielsweise reagiert die Algengemeinschaft auf einen starken Fraßdruck ihrer Räuber mit einer Verschiebung zu weniger gut fressbaren Algenarten. Diese weniger gut fressbaren Arten unterscheiden sich jedoch auch in anderen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Ressourcenausnutzung, von besser fressbaren Algen. In dieser Arbeit wurden Modellansätze entwi­ckelt, die diese Fähigkeit zur Anpassung berücksichtigen. Auf dieser Grundlage und mit Einbeziehung der physikalischen Steuerungsfaktoren können Klimaszenarien gerechnet werden und Vorhersagen für den Einfluss des Klimawandels auf unsere Gewässer gemacht werden, die letztlich auch Perspektiven für Handlungsmöglichkeiten aufzeigen.
KW  - Ökologie
KW  - mathematische Simulationsmodelle
KW  - Plankton
KW  - Tiefer See
KW  - Räuber-Beute Beziehungen
KW  - ecology
KW  - mathematical simulation models
KW  - plankton
KW  - deep lake
KW  - predator-prey relationships
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-24528
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thamm, Markus
T1  - Charakterisierung der Serotonin-Rezeptoren der Honigbiene Apis mellifera : von den Genen zum Verhalten
T1  - Characterization of serotonin receptors in the honeybee Apis mellifera : from genes to behavior
N2  - Das serotonerge System besitzt sowohl bei Invertebraten als auch bei Vertebraten eine große Bedeutung für die Kontrolle und Modulation vieler physiologischer Prozesse und Verhaltensleistungen. Bei der Honigbiene Apis mellifera spielt Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) eine wichtige Rolle bei der Arbeitsteilung und dem Lernen. Die 5-HT-Rezeptoren, die überwiegend zur Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) gehören, besitzen eine Schlüsselstellung für das Verständnis der molekularen Mechanismen der serotonergen Signalweiterleitung. Ziel dieser Arbeit war es, 5-HT-Rezeptoren der Honigbiene zu charakterisieren. Dazu zählt die Identifizierung der molekularen Struktur, die Ermittlung der intrazellulären Signalwege, die Erstellung von pharmakologischen Profilen, die Ermittlung der Expressionsmuster und die Ermittlung der physiologischen Funktionen der Rezeptoren. Mit Hilfe der Informationen aus dem Honey Bee Genome Project, konnten drei RezeptorcDNAs kloniert werden. Vergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen mit den Aminosäuresequenzen bereits charakterisierter Rezeptoren legten nahe, dass es sich dabei um einen 5-HT1- (Am5-HT1) und zwei 5-HT2-Rezeptoren (Am5-HT2α und Am5-HT2β) handelt. Die strukturelle Analyse der abgeleiteten Aminosäuresequenz dieser Rezeptoren postuliert das Vorhandensein der charakteristischen heptahelikalen Architektur von GPCRs und zeigt starkkonservierte Motive, die bedeutend für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G-Proteine sind. Für die beiden 5 HT2-Rezeptoren konnte zudem alternatives Spleißen nachgewiesen werden. Mit den cDNAs des Am5-HT1- und des Am5-HT2α-Rezeptors wurden HEK293-Zellen stabil transfiziert und anschließend die Rezeptoren funktionell und pharmakologisch analysiert. Am5-HT1 hemmt bei Aktivierung abhängig von der 5-HT-Konzentration die cAMPProduktion.Die Substanzen 5-Methoxytryptamin (5-MT) und 5-Carboxamidotryptamin konnten als Agonisten identifiziert werden. Methiothepin dagegen blockiert die 5-HTWirkung vollständig. Prazosin und WAY100635 stellen partielle Antagonisten des Am5-HT1-Rezeptors dar. Der Am5-HT2_-Rezeptor stimuliert bei Aktivierung die Synthese des sekundären Botenstoffs Inositoltrisphosphat, was wiederum zu einer messbaren Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration führt. 5-MT und 8-OH-DPAT zeigen eine deutliche agonistische Wirkung auf Am5-HT2α. Dagegen besitzen Clozapin, Methiothepin, Mianserin und Cyproheptadin die Fähigkeit, die 5-HT-Wirkung um 51-64 % zu vermindern. Die bereits erwähnte alternative Spleißvariante von Am5-HT2α wurde ebenfalls in HEK293-Zellen exprimiert und analysiert, scheint jedoch eigenständig nicht funktionell zu sein. Gegen die dritte cytoplasmatische Schleife (CPL3) wurde ein polyklonales Antiserum generiert. Dieses erkennt in Western-Blot-Analysen ein Protein mit einer Masse von ca. 50 kDa. Durch immunhistochemische Analysen am Bienengehirn wurde die Verteilung des Rezeptors genauer untersucht. Dabei zeigten die optischen Neuropile, besonders die Lamina und die Ocellarnerven, stets eine starke Markierung. Außerdem wird der Rezeptor in den α- und β-Loben sowie der Lippe, dem Basalring und dem Pedunculus der Pilzkörper exprimiert. Doppelmarkierungen zeigen stets eine enge Nachbarschaft von serotonergen Fasern und dem Am5-HT1-Rezeptor. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Am5-HT1-Rezeptor sehr wahrscheinlich an der Regulation des phototaktischen Verhalten der Honigbiene beteiligt ist. Verfütterung von 5-HT hat eine deutlich negative Wirkung auf das phototaktischen Verhalten. Diese kann durch den Am5-HT1-Rezeptor-Agonisten 5-CT imitiert werden. Schließlich konnte gezeigt werden, dass der Am5-HT1-Antagonist Prazosin die 5-HT-Wirkung deutlich vermindern kann.
N2  - The serotonergic system plays an important role in the control and modulation of many physiological and behavioral processes in both vertebrates and invertebrates. In the honeybee Apis mellifera, serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) has been implicated in the control and regulation of division of labor as well as learning and memory. A key role in understanding the serotonergic system plays the molecular and functional characterization of 5-HT receptor subtypes. In most cases, serotonin receptors represent G protein-coupled receptors (GPCRs). This work describes the characterization of honeybee serotonin receptors. This comprises the identification of their molecular structure, intracellular second messenger pathways, pharmacological properties, expression profiles and functions. By screening the honeybee genome, we found three candidate genes encoding for putative serotonin receptors. The cDNAs of these genes were cloned and the deduced amino acid sequences were analysed. The sequence information was used to isolate the cDNAs encoding for these three receptors. Comparison of the deduced amino acid sequences with sequences of other known receptors suggests that one receptor belongs to the 5-HT1 (Am5-HT1) and the other two receptors to the 5-HT2 receptor class (Am5-HT2α and Am5-HT2β). Major characteristics common to all GPCRs (e.g. the heptahelical architecture) were confirmed by structural analyses of the deduced amino acid sequences. Furthermore, truncated receptor transcripts representing alternative splice variants of both 5-HT2 receptors could be detected. HEK293 cells were stably transfected with the cDNAs of Am5-HT1 or Am5-HT2_ and functionally and pharmacologically analysed. The activation of Am5-HT1 by 5-HT results in the dose dependent attenuation of adenylyl cyclase activity. 5-methoxytryptamine (5-MT) and 5-carboxamidotryptamine are able to imitate the 5-HT effect. In contrast, methiothepin is able to block the entire 5-HT effect, whereas prazosine and WAY100635 block the 5-HT effect only partially. The Am5-HT2α receptor stimulates the synthesis of the second messenger inositol trisphosphate which in turn mediates an increase in the intracellular Ca2+. The substances 5-MT and 8-OH-DPAT were identified as agonists of the Am5-HT2α receptor. In contrast, clozapine, methiothepine, mianserine, and cyproheptadine show strong antagonistic actions. A truncated alternative splice variant of the Am5-HT2α-receptor was also analysed but didn’t show any functional coupling by itself. An antiserum was raised against the third cytoplasmic loop (CPL3) of the Am5-HT1 receptor. This antiserum detects a protein with a molecular mass of 50 kDa in western blot analyses. The expression of the Am5-HT1 receptor was studied in detail using immunohistochemistry. Strong Am5-HT1-like immunofluorescence was observed in the ocellar nerve, in the three optic ganglia and in the α- and β-lobes, the pedunculi, the lip and the basal ring of the mushroom bodies. Furthermore, co-labeling with an antibody against 5-HT showed that this receptor is expressed in close vicinity to serotonergic neurons. Finally, behavioral experiments suggest a possible role of the Am5-HT1 receptor in phototactic behavior. Feeding of 5-HT to worker honeybees results in a decrease of phototactic behavior. This 5-HT action could be mimiced by feeding of the Am5-HT1 agonist 5-CT. In contrast, the Am5-HT1 antagonist prazosine prevents the 5-HT-induced decrease in phototaxis.
KW  - Serotonin
KW  - Honigbiene
KW  - GPCR
KW  - serotonin
KW  - honeybee
KW  - GPCR
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-40736
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tenenboim, Yehezkel
T1  - Characterization of a Chlamydomonas protein involved in cell division and autophagy
T1  - Charakterisierung eines an Zellteilung und Autophagie beteiligten Chlamydomonas-Proteins
N2  - The contractile vacuole (CV) is an osmoregulatory organelle found exclusively in algae and protists. In addition to expelling excessive water out of the cell, it also expels ions and other metabolites and thereby contributes to the cell's metabolic homeostasis. The interest in the CV reaches beyond its immediate cellular roles. The CV's function is tightly related to basic cellular processes such as membrane dynamics and vesicle budding and fusion; several physiological processes in animals, such as synaptic neurotransmission and blood filtration in the kidney, are related to the CV's function; and several pathogens, such as the causative agents of sleeping sickness, possess CVs, which may serve as pharmacological targets. The green alga Chlamydomonas reinhardtii has two CVs. They are the smallest known CVs in nature, and they remain relatively untouched in the CV-related literature. Many genes that have been shown to be related to the CV in other organisms have close homologues in C. reinhardtii. We attempted to silence some of these genes and observe the effect on the CV. One of our genes, VMP1, caused striking, severe phenotypes when silenced. Cells exhibited defective cytokinesis and aberrant morphologies. The CV, incidentally, remained unscathed. In addition, mutant cells showed some evidence of disrupted autophagy. Several important regulators of the cell cycle as well as autophagy were found to be underexpressed in the mutant. Lipidomic analysis revealed many meaningful changes between wild-type and mutant cells, reinforcing the compromised-autophagy observation. VMP1 is a singular protein, with homologues in numerous eukaryotic organisms (aside from fungi), but usually with no relatives in each particular genome. Since its first characterization in 2002 it has been associated with several cellular processes and functions, namely autophagy, programmed cell-death, secretion, cell adhesion, and organelle biogenesis. It has been implicated in several human diseases: pancreatitis, diabetes, and several types of cancer. Our results reiterate some of the observations in VMP1's six reported homologues, but, importantly, show for the first time an involvement of this protein in cell division. The mechanisms underlying this involvement in Chlamydomonas, as well as other key aspects, such as VMP1's subcellular localization and interaction partners, still await elucidation.
N2  - Die kontraktile Vakuole ist ein osmoregulatorisches Organell, das ausschließlich in Algen und Protisten vorkommt. Zusätzlich zu ihrer Rolle als Ausstoßer überflüßigen Wassers aus der Zelle heraus, stößt sie auch Ionen und andere Metaboliten aus, und trägt dabei zur metabolischen Homöostase der Zelle bei. Das Interesse an der kontraktilen Vakuole erstreckt sich über seine unmittelbare zelluläre Rolle hinaus. Die Funktion der kontraktilen Vakuole ist mit einigen grundsätzlichen zellulären Verfahren, wie Membrandynamik und Vesikelknospung und -fusion, verwandt; einige physiologische Verfahren in Tieren, zum Beispiel synaptische Neurotransmission und das Filtrieren des Blutes in den Nieren, sind mit der Funktion der Vakuole eng verwandt; und einige Pathogene—der Ursacher der Schlafkrankheit als Beispiel—besitzen kontraktile Vakuolen, die als Ziele von Medikamenten dienen könnten. Die grüne Alge Chlamydomonas reinhardtii verfügt über zwei Vakuolen. Sie sind die kleinsten bekannten in der Natur, und bleiben bisher verhältnismäßig unerforscht. Viele Gene, die in anderen Organismen als kontraktile-Vakuole-bezogen erwiesen wurden, haben Homologe in C. reinhardtii. Wir versuchten, diese Gene auszuschalten und den Einfluss auf die Vakuole zu beobachten. Die Ausschaltung eines unserer Gene, VMP1, verursachte starke, beachtliche Phänotype. Die Zellen zeigten gestörte Zytokinese und aberrante Zellformen. Die kontraktile Vakuole blieb jedoch verschont. Des Weiteren zeigten Mutantzellen einige Hinweise auf gestörte Autophagie. Einige wichtige Gene des Zellzyklus und der Autophagie waren unterexprimiert in Mutantzellen. Lipidomische Analyse zeigte mehrere bedeutsame Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutant, die die Beobachtungen der gestörten Autophagie verstärkten. VMP1 ist ein singularisches Protein, mit Homologen in zähligen eukaryotischen Organismen (jedoch nicht in Pilzen), aber üblicherweise ohne Verwandte in den jeweiligen Genomen. Seit seiner Erstcharakterisierung 2002 wurde es mit etlichen zellulären Verfahren, wie Autophagie, programmiertem Zelltod, Sekretion, Zelladhäsion, und Biogenese der Organellen, assoziiert. Es wurde auch mit einigen menschlichen Krankheiten wie Diabetes, Pankreatitis, und einigen Arten von Krebs in Verbindung gebracht. Unsere Ergebnisse wiederholen einige Beobachtungen in anderen Organismen, zeigen dennoch zum ersten Mal eine Beteiligung von VMP1 an der Zellteilung. Die unterliegenden Mechanismen dieser Beteiligung in Chlamydomonas, sowie andere wichtige Aspekte, etwa die subzelluläre Lokalisierung von VMP1 und dessen Interaktionspartner, warten noch auf Aufklärung.
KW  - VMP1
KW  - autophagy
KW  - cytokinesis
KW  - chlamydomonas
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70650
ER  - 
TY  - THES
A1  - Teller, Carsten
T1  - Entwicklung neuartiger biomimetischer Sensoren: ein bifunktionaler Sensor auf Basis haptenisierter Cholinesterase
T1  - Development of novel biomimetic sensors: a bifunctional sensor based on haptenized cholinesterase
N2  - In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines bifunktionellen Biosensors nach dem Vorbild eines Baukastensystems beschrieben. Das Ziel wird durch die Kombination verschiedenster molekularer Erkennungselemente erreicht. Solche molekularen Erkennungselemente im verwendeten System sind: • Propidium und die periphere anionische Bindungsstelle der Acetylcholinesterase (AChE) • Organophosphate und das aktive Zentrum der AChE • ein an die AChE gekoppeltes Hapten und das Epitop eines Antikörpers • ein an die AChE gekoppeltes Hapten, das als Ligand ein weiteres Enzym bindet Neben dem molekularen Erkennungselement wird ein Biosensor ebenso durch die Art des Transducers charakterisiert. Hier werden Quarzplättchen mit Goldelektroden zur Signalumwandlung eingesetzt. Die Verwendung solcher Sensoren mit einem EQCM-Gerät (electrochemical quartz crystal microbalance) ermöglicht es zwei Messsignale gleichzeitig aufzunehmen: die piezoelektrische Bestimmung einer Massebeladung und die amperometrische Detektion von Enzymaktivität auf der Sensoroberfläche. Für die Analytik stehen somit zwei verschiedene Assay-Varianten zur Verfügung: die Bestimmung der Inhibition der ACHE-Aktivität und ein Bindungstest über das Hapten. Die Basis beider Tests ist die Modifizierung der piezoelektrischen Kristalle mit Propidium – einem reversiblen Inhibitor der Acetylcholinesterase. Dies ermöglicht die Beladung des Sensors mit AChE über die Wechselwirkung mit der peripheren anionischen Bindungsstelle des Enzyms. Die Aktivität der so immobilisierten AChE und die Inhibition durch Organophosphate (Pestizide) werden amperometrisch bestimmt. Durch die chemische Kopplung eines Hapten an die Cholinesterase wird ein weiteres Erkennungselement eingeführt. Das eröffnet die Möglichkeit, an die auf dem Propidium-modifizierten Sensor immobilisierte, haptenisierte Cholinesterase einen Antikörper zu binden. Als Voraussetzung für elektrochemische Bestimmung der AChE-Aktivität wurde zunächst die Optimierung der amperometrischen Messmethode vorgenommen. Die Oxidatationspotentiale für die Detektion von Thiocholin wurden im Bereich von 150 mV bis 300 mV variiert. Dabei wurde für die nachfolgenden Untersuchungen eine Arbeitspotential von 200 mV (vs. Ag/AgCl) festgelegt, da hier das beste Verhältnis von gemessenem Oxidationsstrom und Langzeitstabilität der Propidium-modifizierten Sensoren erzielt wurde. Dieses Potential war deutlich geringer als die bisher publizierten Mediator-freien AChE-Biosensoren. Es wurde ein Vergleich verschiedener Organophosphate über ihre Inhibitionskonstanten durchgeführt, um diejenigen herauszufinden, die möglichst schnell mit dem aktiven Zentrum der Acetylcholinesterase reagieren. Das verwendete Messsystem beruht nicht auf der Vorinkubation der AChE und damit einer Einstellung des Inhibitionsgleichgewichts. Stattdessen wurde die Inhibition der AChE direkt im Fließsystem verfolgt. Daher war eine schnelle Inhibitionskinetik für einen empfindlichen Organophosphat-Nachweis erforderlich. Da einige Inhibitoren nur als Phosphothionat vorlagen, wurde die Überführung dieser Substanzen in die entsprechenden Oxo-Formen mittels N-Bromsuccinimid untersucht. Die NBS-Aktivierung wurde erfolgreich durchgeführt, die erwartete Inhibitionsstärke konnte jedoch aufgrund hydrolytischer Vorgänge nicht erreicht werden. Untersuchungen mit Diisopropylfluorophosphat (DFP) und Chlorpyriphos-oxon (CPO) konnten die Voruntersuchungen über die Inhibitionskinetik in Bezug auf die erreichten Nachweisgrenzen von 2E-06 M für DFP und 5E-08 M für CPO bestätigen. Für die chemische Modifizierung der Acetylcholinesterase wurde zunächst 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) als Hapten ausgewählt. 2,4-D wird als Herbizid eingesetzt und in der EU über die Gewässerschutzrichtlinie reguliert. 2,4-D konnte in unterschiedlichen molaren Verhältnissen von 2,6 : 1 bis 260 : 1 (2,4-D : AChE) nach Aktivierung mit einem Norbornendicarboximido-Derivat an die AChE gekoppelt werden. Dabei konnte die spezifische Aktivität der Acetylcholinesterase erhalten und die Bindung eines anti-2,4-D-Antikörpers ermöglicht werden. Zur Verstärkung des piezolelektrischen Signals der Antikörperbindung wurden die Immunoglobuline zunächst an Goldnanopartikel gekoppelt. Damit konnte eine Verstärkung um den Faktor 10 erreicht werden. Allerdings waren die Antikörper-modifizierten Goldnanopartikel nicht langzeitstabil. Daher wurden auch Silica-Nanopartikel als Matrix für die Antikörperkopplung getestet. Mit diesem System konnte eine Verstärkung um den Faktor von 5 bis 13 je nach Grad der Beladung den Nanopartikel mit Antikörper bestimmt werden. Die hohe unspezifische Bindung der Antikörper-Nanopartikel-Konjugate an den Propidium-modifizierten QCM-Sensor konnte keinen empfindlichen 2,4-D-Nachweis ermöglichen. Als Alternative wurde Kokain (Benzoylecgonin, BZE) als Hapten an die Aceytlcholinesterase gekoppelt. Da Kokain selbst auch als Inhibitor im aktiven Zentrum der AChE binden kann, wurden zwei verschiedene Strategien zur Konjugatsynthese verfolgt. Durch Zugabe von Kokain während der Kopplung sollte die kovalente Fixierung des Kokain-Derivats BZE-DADOO im aktiven Zentrum verhindert werden (Konjugat B). In der Tat konnten mit dieser Synthesestrategie 67% der spezifischen Cholinesterase-Aktivität erhalten werden, während im Kokain-freien Ansatz (Konjugat A) nur 2% der Ausgangsaktivität wiedergefunden wurden. Das BZE-AChE-Konjugat ermöglichte auch die Untersuchung der Bindungskinetik der anti-BZE-Antikörper. Dabei konnte eine Assoziationsgeschwindigkeitskonstante ka von 12911 l/(mol•s) berechnet werden. Dieser Wert ist trotz der vergleichsweise geringen Oberflächenbeladung vergleichbar mit den in der Literatur angegebenen Werten. Die Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante ist mit 2,89E−3 1/s um den Faktor 30 höher als der Literaturwert. Diese Abweichung ist auf Unterschiede im Bindungsmodell zurückzuführen. Mit beiden BZE-AChE-Konjugaten konnte ein kompetetiver Immunoassay mit Kokain im Fließsystem durchgeführt werden. Dabei zeigte sich für beide Konjugate ein ähnlicher Testmittelpunkt: IC50 = 4,40E−8 mol/l für Konjugat A bzw. IC50 = 1,77E−8 mol/l für Konjugat B. Diese Werte sind vergleichbar zu bereits publizierten Kokainassays im Fließsystem. Wie vorstehend beschrieben, bindet Kokain als Inhibitor auch im aktiven Zentrum von Cholinesterasen. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um ein zweites Enzym – Butyrylcholinesterase (BChE) – an die BZE-AChE zu binden. Die Spezifität dieser Bindung konnte durch die Abwesenheit einer Affinität der BChE zum Propidium und durch die Blockierbarkeit der Bindung von BChE und BZE-AChE durch Kokain nachgewiesen werden. Damit konnte erfolgreich die Kombination mehrere molekularer Erkennungselemente demonstriert werden. Die Propidium-Plattform ermöglicht den Aufbau einer Architektur aus verschiedenen Cholinesterasen, die über unterschiedliche Bindungsstellen wechselwirken. Sowohl freie als auch BZE-modifizierte AChE können über die Affinität zum Propidium auf dem EQCM-Sensor immobilisiert werden. Mit Kokain als Substrat der Butyrylcholinesterase kann Benzoylecgonin nicht nur als Epitop für die Bindung eines Antikörpers, sondern auch als Erkennungselement für die BChE genutzt werden. Auf der anderen Seite erschwert die geringe Affinität der BChE im Gegensatz zum anti-BZE-Antikörper den Einsatz dieses Systems für analytische Zwecke. Durch die Verwendung anderer Ligand-Enzym-Kombinationen läßt sich das in dieser Arbeit vorgestellte Konzept noch weiter ausbauen und ermöglicht damit eine Entwicklung ausgehend von „einfachen“ molekularen Erkennungselementen (MRE) hin zu „multifunktionellen“ Erkennungselementsystemen. In dieser Arbeit konnte demonstriert werden, dass der Aufbau solch komplexe Systeme möglich ist, ohne Abstriche in Bezug auf die Empfindlichkeit der einzelnen Assays hinzunehmen.
N2  - This work describes the development of a bifunctional biosensor following a modular assembly approach. This aim is reached through the combination of various molecular recognition elements. The system presented herein uses the following recognition elements: • propidium and the peripheral anionic site of the acetylcholinesterase (AChE) • an organophosphate and the active site of the AChE • a hapten – covalently coupled to the AChE – and the epitope of an antibody • a hapten – covalently coupled to the AChE – binding as a ligand to another enzyme A biosensor is not only characterized by the molecular recognition element, but also by the type of signal transducer. This work is based on an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) device that uses gold-plated quartz sensors for the signal transduction. This allows monitoring two distinct signals at the same time: the piezoelectric determination of a mass loading and the amperometrical detection of enzymatic activity on the sensor surface. Thus two different assay systems are provided: the determination of the inhibition of the AChE activity and ligand binding assay via the hapten. Both tests are based on the modification of the piezoelectric crystals with propidium – a reversible AChE inhibitor. This allows the deposition of AChE on the sensor surface via the interaction with the enzyme’s peripheral anionic site. The enzymatic activity of the in-situ immobilized AChE and the inhibition by organophosphates (pesticides) are measured amperometrically. Another recognition element is introduced by the chemical coupling of a hapten to the cholinesterase. This provides the opportunity bind an antibody to the haptenized cholinesterase that is immobilized on the propidium-modified sensor. Preliminary experiments were focussed on the improvement of the amperometric determination the AChE activity. The applied potential for the oxidation of thiocholine was changed over a range from 150 to 300 mV. The best results for the measured oxidation current and the long-term stability of the propidium-modified sensors were obtained at 200 mV (vs. Ag/AgCl). This potential was used throughout all subsequent experiments. This potential was also found to be lower as compared to mediator-free AChE-biosensors published hitherto. Different organophosphates were evaluated with regard to their inhibition constants to find those which react with active site of the acetylcholinesterase as fast as possible. The assay format used herein monitors the inhibition of the AChE directly in the flow-system. That is, it is not based preincubation of the enzyme with the inhibitor and therefore no inhibition equilibrium is reached. This approach requires fast inhibition kinetics in order to detect the organophosphates highly sensitively. Some of the inhibitors were only available in the phosphothionate form. Thus was necessary to convert these compounds to their respective oxon-forms by N-bromosuccinimide (NBS). The NBS-activation was performed successfully, though the expected inhibition potential could not be reached due to hydrolytic processes. Experiments with diisopropylfluorophosphate (DFP) und chlorpyriphos-oxon (CPO) could confirm the previous experiments on the inhibtion kinetics. Lower limits of detection of 2E-06 M for DFP and 5E-08 M for CPO could be reached with this approach. Initially 2,4-dichlorphenoxyacetic acid (2,4-D) was chosen as a hapten for the chemical modification of the acetylcholinesterase. The use of 2,4-D as a herbicide is regulated by the water protection directive of the European Union. 2,4-D was coupled to AChE in different molar ratios from 2,6 : 1 to 260 : 1 (2,4-D : AChE) after activation with a norbornendicarboximido derivative. The chosen coupling method allowed to recover the complete specific activity of the acetylcholinesterase and to bind a specific anti-2,4-D-antibody. Furthermore, the coupling of the immunoglobulins to gold nanoparticles was tested to enhance the piezoelectric signal of the antibody binding. An amplification factor of 10 was reached with this system. However the antibody-coated gold nanoparticles show a very poor long-term stability. Therefore also silica nanoparticles were tested as a matrix for the coupling of the antibodies. This approach yielded an amplification factor from 5 to 13 depending amount of antibodies bound to the nanoparticles. Unfortunately the high non-specific binding of the antibody nanoparticle conjugates did not allow a sensitive 2,4-D detection assay. Cocaine (benzoylecgonine, BZE) was coupled as a hapten to Acetylcholinesterase in an alternative approach. Two different strategies for the synthesis of the conjugate were pursued, since cocaine can bind also bind as an inhibitor for the AChE’s active site. The addition of excess cocaine during the coupling reaction should the covalent binding of the cocaine derivative BZE-DADOO at the active site (conjugate B). Indeed over two thirds of the original specific cholinesterase activity could be recovered with this strategy, while the cocaine-free batch (conjugate A) showed only 2% of the original activity. Furthermore the BZE-AChE conjugate allowed the evaluation of the binding kinetics of the anti-BZE-antibody. The association rate constant ka was calculated to 12911 l/(mol•s). Despite the low surface coverage this value is still comparable to other published results. The dissociation rate constant kd of 2,89E−3 1/s is thirty times higher than values found in the literature. This deviation is due to differences in the applied binding model. Both BZE-AChE conjugates could be applied in a competitive immunoassay for cocaine in the flow system. It was shown that for both conjugates a similar half maximal inhibitory concentration was reached: : IC50 = 4,40E−8 mol/l for conjugate A and IC50 = 1,77E−8 mol/l for conjugate B, respectively. These values are comparable to other published assay for cocaine in a flow system. As described earlier, cocaine is also able to bind to the active site of cholinesterases. This feature was used to examine the interaction of a second enzyme – butyrylcholinesterase (BChE) – with the BZE-AChE. Evidence for the specificity of this interaction was provided by two further experiments, i.e. BChE has no affinity towards Propidium and the binding of BChE towards BZE-AChE could be blocked by excess cocaine. Thus the successful integration of recognition elements on the molecular level could be demonstrated. The propidium-modifies sensor allowed the construction of a scaffold of cholinesterases that interact via different recognition sites. Unmodified and BZE-coupled AChE can be immobilized on the EQCM-sensor via the interaction with propidium. With cocaine being a substrate BChE this compound cannot only be used to capture anti-BZE-antibodies, but also as a recognition element for BChE. The affinity of the BChE towards is relatively low as compared to the antibody’s binding strength, thus making it difficult to employ this system for analytical purposes. Still the concept presented herein can be extended by other ligand-enzyme-combinations. On the basis of “simple” molecular recognition elements this enables the development of “multifunctional” recognition element systems. This work could show that the construction of such complex systems is possible without cutting back with regard to the sensitivity of the individual assays.
KW  - bifunktionaler Sensor
KW  - Kokain
KW  - Organophosphate
KW  - Acetylcholinesterase
KW  - Antikörper
KW  - bifunctional sensor
KW  - cocaine
KW  - organophosphate
KW  - acetylcholinesterase
KW  - antibody
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-25021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tegtmeier, Laura
T1  - Functional analysis of ENTH domain proteins
T1  - Funktionelle Analyse der ENTH Proteinen
N2  - In plant cells, subcellular transport of cargo proteins relies to a large extent on post-Golgi transport pathways, many of which are mediated by clathrin-coated vesicles (CCVs). Vesicle formation is facilitated by different factors like accessory proteins and adaptor protein complexes (APs), the latter serving as a bridge between cargo proteins and the coat protein clathrin. One type of accessory proteins is defined by a conserved EPSIN N-TERMINAL HOMOLOGY (ENTH) domain and interacts with APs and clathrin via motifs in the C-terminal part. In Arabidopsis thaliana, there are three closely related ENTH domain proteins (EPSIN1, 2 and 3) and one highly conserved but phylogenetically distant outlier, termed MODIFIED TRANSPORT TO THE VACUOLE1 (MTV1). In case of the trans-Golgi network (TGN) located MTV1, clathrin association and a role in vacuolar transport have been shown previously (Sauer et al. 2013). In contrast, for EPSIN1 and EPSIN2 limited functional and localization data were available; and EPSIN3 remained completely uncharacterized prior to this study (Song et al. 2006; Lee et al. 2007). The molecular details of ENTH domain proteins in plants are still unknown. In order to systematically characterize all four ENTH proteins in planta, we first investigated expression and subcellular localization by analysis of stable reporter lines under their endogenous promotors. Although all four genes are ubiquitously expressed, their subcellular distribution differs markedly. EPSIN1 and MTV1 are located at the TGN, whereas EPSIN2 and EPSIN3 are associated with the plasma membrane (PM) and the cell plate. To examine potential functional redundancy, we isolated knockout T-DNA mutant lines and created all higher order mutant combinations. The clearest evidence for functional redundancy was observed in the epsin1 mtv1 double mutant, which is a dwarf displaying overall growth reduction. These findings are in line with the TGN localization of both MTV1 and EPS1. In contrast, loss of EPSIN2 and EPSIN3 does not result in a growth phenotype compared to wild type, however, a triple knockout of EPSIN1, EPSIN2 and EPSIN3 shows partially sterile plants. We focused mainly on the epsin1 mtv1 double mutant and addressed the functional role of these two genes in clathrin-mediated vesicle transport by comprehensive molecular, biochemical, and genetic analyses. Our results demonstrate that EPSIN1 and MTV1 promote vacuolar transport and secretion of a subset of cargo. However, they do not seem to be involved in endocytosis and recycling. Importantly, employing high-resolution imaging, genetic and biochemical experiments probing the relationship of the AP complexes, we found that EPSIN1/AP1 and MTV1/AP4 define two spatially and molecularly distinct subdomains of the TGN. The AP4 complex is essential for MTV1 recruitment to the TGN, whereas EPSIN1 is independent of AP4 but presumably acts in an AP1-dependent framework. Our findings suggest that this ENTH/AP pairing preference is conserved between animals and plants.
N2  - In pflanzlichen Zellen hängt der Transport von Proteinen von vielen dem Golgi-Apparat nachfolgenden Transportwegen ab, welche zum Großteil durch Clathrin-bedeckte Vesikel (CCV) vermittelt werden. Die Vesikelbildung wird durch verschiedene Helferproteine und Adapterproteinkomplexe (AP) ermöglicht. Letztere dienen als Brücke zwischen den Transportproteinen und dem Hüllprotein Clathrin. Eine Gruppe von Hilfsproteinen interagiert mit APs und Clathrin mittels des C-Terminus und ist durch eine konservierte EPSIN N-TERMINAL HOMOLOGY (ENTH)-Domäne definiert. In Arabidopsis thaliana wurden drei eng verwandte ENTH-Domänenproteine (EPSIN1, 2 und 3) sowie ein stark konservierter phylogenetischer Außenseiter MODIFIED TRANSPORT TO THE VACUOLE1 (MTV1), gefunden. Im Falle des im trans-Golgi Netzwerk (TGN) lokalisierten MTV1 wurde die Assoziation mit Clathrin und eine Rolle im vakuolären Transport nachgewiesen (Sauer et al. 2013). Im Vergleich dazu gab es für EPSIN1 und EPSIN2 nur limitierte Daten und EPSIN3 war bisher unerforscht (Song et al. 2006; Lee et al. 2007). Die Funktionen der ENTH-Domänenproteine in Pflanzen blieben unklar. Um die vier ENTH-Proteine in planta zu charakterisieren, untersuchten wir zunächst deren Expression sowie subzelluläre Lokalisation anhand stabiler Reporterlinien, welche Fusionsproteine vom jeweils endogenen Promotor exprimierten. Obwohl unsere Ergebnisse zeigten, dass alle ENTH-Domänenproteine ubiquitär exprimiert wurden, war die subzelluläre Verteilung deutlich unterschiedlich. EPSIN1 und MTV1 lokalisierten am TGN, während EPSIN2 und EPSIN3 in der Nähe der Plasmamembran (PM) und der Zellplatte zu finden waren. Um eine mögliche funktionelle Redundanz zu untersuchen, nutzten wir komplette Funktionsverlust-Mutanten und erzeugten daraus Mutanten höherer Ordnung. Deutliche Hinweise auf funktionelle Redundanz ergab die epsin1 mtv1-Doppelmutante, die eine starke Wachstumsreduktion aufwies, was zur Lokalisierung beider Proteine am TGN passte. Im Gegensatz dazu verursachte der Verlust von EPSIN2 und EPSIN3 keinen vom Wildtyp abweichenden Phänotyp, jedoch zeigte die epsin1 epsin2 epsin3-Dreifachmutante partielle Sterilität. Wir fokussierten uns daher hauptsächlich auf epsin1 mtv1 und untersuchten die funktionelle Rolle im Clathrin-vermittelten Vesikeltransport durch vergleichende molekulare, biochemische und genetische Analysen. EPSIN1 und MTV1 unterstützten den vakuolären und sekretorischen Transport, waren aber nicht an Endozytose oder Recycling beteiligt. Durch hochauflösende Mikroskopie, genetische und biochemische Analysen der Beziehung zwischen verschiedenen AP-Komplexen und EPSIN1/MTV1 konnten wir zeigen, dass EPSIN1/AP1 und MTV1/AP4 zwei räumlich und molekular distinkte Subdomänen des TGNs definierten. AP4 war essenziell für die MTV1- jedoch nicht die EPSIN1-Rekrutierung zum TGN und EPSIN1 assoziierte bevorzugt mit AP1. Ähnliche Beobachtungen an EPSIN1- und MTV1-Homologen in tierischen Zellen legen eine evolutionär konservierte Paarung von AP-Komplexen und ENTH-Proteinen nahe.
KW  - vesicle transport
KW  - trans-Golgi network
KW  - trans-Golgi Netzwerk
KW  - clathrin-coated vesicles
KW  - Clathrin-bedeckte Vesikel
KW  - ENTH domain proteins
KW  - ENTH-Domänenproteine
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570049
ER  - 
TY  - THES
A1  - Teckentrup, Lisa
T1  - Understanding predator-prey interactions
T1  - Verstehen von Räuber-Beute-Interaktionen
BT  - the role of fear in structuring prey communities
BT  - die Rolle der Angst bei der Strukturierung von Beutetiergemeinschaften
N2  - Predators can have numerical and behavioral effects on prey animals. While numerical effects are well explored, the impact of behavioral effects is unclear. Furthermore, behavioral effects are generally either analyzed with a focus on single individuals or with a focus on consequences for other trophic levels. Thereby, the impact of fear on the level of prey communities is overlooked, despite potential consequences for conservation and nature management. In order to improve our understanding of predator-prey interactions, an assessment of the consequences of fear in shaping prey community structures is crucial.

In this thesis, I evaluated how fear alters prey space use, community structure and composition, focusing on terrestrial mammals. By integrating landscapes of fear in an existing individual-based and spatially-explicit model, I simulated community assembly of prey animals via individual home range formation. The model comprises multiple hierarchical levels from individual home range behavior to patterns of prey community structure and composition. The mechanistic approach of the model allowed for the identification of underlying mechanism driving prey community responses under fear.

My results show that fear modified prey space use and community patterns. Under fear, prey animals shifted their home ranges towards safer areas of the landscape. Furthermore, fear decreased the total biomass and the diversity of the prey community and reinforced shifts in community composition towards smaller animals. These effects could be mediated by an increasing availability of refuges in the landscape. Under landscape changes, such as habitat loss and fragmentation, fear intensified negative effects on prey communities. Prey communities in risky environments were subject to a non-proportional diversity loss of up to 30% if fear was taken into account. Regarding habitat properties, I found that well-connected, large safe patches can reduce the negative consequences of habitat loss and fragmentation on prey communities. Including variation in risk perception between prey animals had consequences on prey space use. Animals with a high risk perception predominantly used safe areas of the landscape, while animals with a low risk perception preferred areas with a high food availability. On the community level, prey diversity was higher in heterogeneous landscapes of fear if individuals varied in their risk perception compared to scenarios in which all individuals had the same risk perception.

Overall, my findings give a first, comprehensive assessment of the role of fear in shaping prey communities. The linkage between individual home range behavior and patterns at the community level allows for a mechanistic understanding of the underlying processes. My results underline the importance of the structure of the landscape of fear as a key driver of prey community responses, especially if the habitat is threatened by landscape changes. Furthermore, I show that individual landscapes of fear can improve our understanding of the consequences of trait variation on community structures. Regarding conservation and nature management, my results support calls for modern conservation approaches that go beyond single species and address the protection of biotic interactions.
N2  - Raubtiere beeinflussen ihre Beute durch die Verringerung der Anzahl (numerische Effekte) und durch das Hervorrufen von Verhaltensänderungen (Verhaltenseffekte). Während die Auswirkungen von numerischen Effekten gut erforscht sind, sind die Auswirkungen von Verhaltenseffekten unklar. Außerdem werden bei Verhaltensänderungen selten die Auswirkungen auf die Beutetiergemeinschaft betrachtet, sondern nur die Effekte auf einzelne Individuen bzw. Arten oder auf andere Stufen der Nahrungskette. Eine Betrachtung auf der Stufe der Beutetiergemeinschaft ist jedoch sehr wichtig, da nur so ein umfassendes Verständnis von Räuber-Beute-Gemeinschaften möglich ist.

In der vorliegenden Arbeit habe ich die Auswirkungen von Verhaltenseffekten auf die Raumnutzung und die Struktur von Beutetiergemeinschaften untersucht. Dazu habe ich ein räumliches Modell benutzt, welches die Bildung von Beutetiergemeinschaften über den individuellen Aufbau von Aktionsräumen der Beutetiere simuliert. Die Einrichtung von Aktionsräumen basiert dabei auf der Nahrungsverfügbarkeit in der Landschaft und auf dem vom Beutetier wahrgenommenen Risiko von einem Räuber gefressen zu werden. Die räumliche Verteilung des wahrgenommenen Risikos wird auch als Landschaft der Angst bezeichnet.

Meine Ergebnisse zeigen, dass sich die Raumnutzung und die Struktur der Beutetiergemeinschaft durch Verhaltenseffekte verändern. Unter dem Einfluss von Angst haben die Beutetiere ihre Aktionsräume in sicherere Bereiche der Landschaft verlegt. Außerdem hat sich in risikoreichen Landschaften die Vielfalt der Beutetiere verringert und die Zusammensetzung zu Arten mit einem geringen Körpergewicht verschoben. Wenn die Beutetiergemeinschaft Landschaftsveränderungen wie z.B. dem Verlust oder der Zerschneidung von Lebensraum ausgesetzt war, haben sich die Auswirkungen von Verhaltenseffekten weiter verstärkt. Durch eine Erhöhung der Größe und Anzahl von Rückzugsräumen, die nicht von Räubern erreicht werden können, sowie deren Verbindung in der Landschaft, kann die Stärke dieser Effekte jedoch begrenzt werden. In einem weiteren Schritt habe ich die Auswirkungen von Unterschieden in der Risikowahrnehmung zwischen Individuen untersucht. Diese Unterschiede haben dazu geführt, dass Tiere mit einer hohen Risikowahrnehmung sich ihren Aktionsraum vornehmlich in sicheren Bereichen gesucht haben, während Tiere mit einer geringen Risikowahrnehmung Bereiche mit einer hohen Nahrungsverfügbarkeit genutzt haben. Dadurch konnten sich in Landschaften mit unterschiedlichen Risiken, vielfältigere Beutetiergemeinschaften etablieren, als in Landschaften mit gleichmäßigem Risiko.

Insgesamt geben meine Ergebnisse einen guten Überblick über die Auswirkungen von Verhaltenseffekten auf Beutetiergemeinschaften. Die Verknüpfung von individuellem Verhalten mit Mustern auf der Gemeinschaftsebene erlaubt es die zugrundeliegenden Mechanismen zu identifizieren und zu verstehen. In Bezug auf den Naturschutz unterstützen meine Ergebnisse den Ruf nach modernen Schutzmaßnahmen, die über den Erhalt von einzelnen Arten hinausgehen und den Schutz von Beziehungen zwischen Arten einbeziehen.
KW  - ecology
KW  - landscape of fear
KW  - predator-prey
KW  - movement
KW  - biodiversity
KW  - Ökologie
KW  - Landschaft der Angst
KW  - Räuber-Beute
KW  - Bewegung
KW  - Biodiversität
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431624
ER  - 
TY  - THES
A1  - Synodinos, Alexios D.
T1  - Savanna dynamics under extreme conditions
T1  - Savannendynamik unter extremen Bedingungen
BT  - insights from a mathematical model
N2  - Savannas cover a broad geographical range across continents and are a biome best described by a mix of herbaceous and woody plants. The former create a more or less continuous layer while the latter should be sparse enough to leave an open canopy. What has long intrigued ecologists is how these two competing plant life forms of vegetation coexist. 

Initially attributed to resource competition, coexistence was considered the stable outcome of a root niche differentiation between trees and grasses. The importance of environmental factors became evident later, when data from moister environments demonstrated that tree cover was often lower than what the rainfall conditions would allow for. Our current understanding relies on the interaction of competition and disturbances in space and time. Hence, the influence of grazing and fire and the corresponding feedbacks they generate have been keenly investigated. Grazing removes grass cover, initiating a self-reinforcing process propagating tree cover expansion. This is known as the encroachment phenomenon. Fire, on the other hand, imposes a bottleneck on the tree population by halting the recruitment of young trees into adulthood. Since grasses fuel fires, a feedback linking grazing, grass cover, fire, and tree cover is created. In African savannas, which are the focus of this dissertation, these feedbacks play a major role in the dynamics.

The importance of these feedbacks came into sharp focus when the notion of alternative states began to be applied to savannas. Alternative states in ecology arise when different states of an ecosystem can occur under the same conditions. According to this an open savanna and a tree-dominated savanna can be classified as alternative states, since they can both occur under the same climatic conditions. The aforementioned feedbacks are critical in the creation of alternative states. The grass-fire feedback can preserve an open canopy as long as fire intensity and frequency remain above a certain threshold. Conversely, crossing a grazing threshold can force an open savanna to shift to a tree-dominated state. Critically, transitions between such alternative states can produce hysteresis, where a return to pre-transition conditions will not suffice to restore the ecosystem to its original state.

In the chapters that follow, I will cover aspects relating to the coexistence mechanisms and the role of feedbacks in tree-grass interactions. Coming back to the coexistence question, due to the overwhelming focus on competition and disturbance another important ecological process was neglected: facilitation. Therefore, in the first study within this dissertation I examine how facilitation can expand the tree-grass coexistence range into drier conditions. For the second study I focus on another aspect of savanna dynamics which remains underrepresented in the literature: the impacts of inter-annual rainfall variability upon savanna trees and the resilience of the savanna state. In the third and final study within this dissertation I approach the well-researched encroachment phenomenon from a new perspective: I search for an early warning indicator of the process to be used as a prevention tool for savanna conservation. In order to perform all this work I developed a mathematical ecohydrological model of Ordinary Differential Equations (ODEs) with three variables: soil moisture content, grass cover and tree cover.

Facilitation: Results showed that the removal of grass cover through grazing was detrimental to trees under arid conditions, contrary to expectation based on resource competition. The reason was that grasses preserved moisture in the soil through infiltration and shading, thus ameliorating the harsh conditions for trees in accordance with the Stress Gradient Hypothesis. The exclusion of grasses from the model further demonstrated this: tree cover was lower in the absence of grasses, indicating that the benefits of grass facilitation outweighed the costs of grass competition for trees. Thus, facilitation expanded the climatic range where savannas persisted into drier conditions.

Rainfall variability: By adjusting the model to current rainfall patterns in East Africa, I simulated conditions of increasing inter-annual rainfall variability for two distinct mean rainfall scenarios: semi-arid and mesic. Alternative states of tree-less grassland and tree-dominated savanna emerged in both cases. Increasing variability reduced semi-arid savanna tree cover to the point that at high variability the savanna state was eliminated, because variability intensified resource competition and strengthened the fire disturbance during high rainfall years. Mesic savannas, on the other hand, became more resilient along the variability gradient: increasing rainfall variability created more opportunities for the rapid growth of trees to overcome the fire disturbance, boosting the chances of savannas persisting and thus increasing mesic savanna resilience. 

Preventing encroachment: The breakdown in the grass-fire feedback caused by heavy grazing promoted the expansion of woody cover. This could be irreversible due to the presence of alternative states of encroached and open savanna, which I found along a simulated grazing gradient. When I simulated different short term heavy grazing treatments followed by a reduction to the original grazing conditions, certain cases converged to the encroached state. Utilising woody cover changes only during the heavy grazing treatment, I developed an early warning indicator which identified these cases with a high risk of such hysteresis and successfully distinguished them from those with a low risk. Furthermore, after validating the indicator on encroachment data, I demonstrated that it appeared early enough for encroachment to be prevented through realistic grazing-reduction treatments.

Though this dissertation is rooted in the theory of savanna dynamics, its results can have significant applications in savanna conservation. Facilitation has only recently become a topic of interest within savanna literature. Given the threat of increasing droughts and a general anticipation of drier conditions in parts of Africa, insights stemming from this research may provide clues for preserving arid savannas. The impacts of rainfall variability on savannas have not yet been thoroughly studied, either. Conflicting results appear as a result of the lack of a robust theoretical understanding of plant interactions under variable conditions. . My work and other recent studies argue that such conditions may increase the importance of fast resource acquisition creating a ‘temporal niche’. Woody encroachment has been extensively studied as phenomenon, though not from the perspective of its early identification and prevention. The development of an encroachment forecasting tool, as the one presented in this work, could protect both the savanna biome and societies dependent upon it for (economic) survival. All studies which follow are bound by the attempt to broaden the horizons of savanna-related research in order to deal with extreme conditions and phenomena; be it through the enhancement of the coexistence debate or the study of an imminent external threat or the development of a management-oriented tool for the conservation of savannas.
N2  - Savannen sind gekennzeichnet durch die Koexistenz von Gräsern und Bäumen. Sie bedecken circa 20% der globalen Landfläche und Millionen Menschen hängen von ihrer Intaktheit ab.  Allerdings bedrohen sowohl der Klimawandel als auch Landnutzung dieses Biom. In dieser Studie werden die Existenz von Savannen unter sehr trockenen Bedingungen, ihre Reaktionen auf steigende Fluktuationen des Niederschlags und die Quantifizierung ihrer Resilienz untersucht.  

Die Ergebnisse zeigen, dass unter extrem trockenen Bedingungen der positive Einfluss von Gräsern auf Bäume eine wichtige Rolle für das Überleben der Bäume spielt. Kommt es hingegen zu einer Erhöhung der Niederschlagsvariabilität, wird dadurch eine starke Konkurrenz zwischen den beiden Lebensformen verursacht. Die Resilienz der Savannen und ihre Veränderungen lassen sich quantifizieren und mit dem im letzten Teil dieser Dissertation präsentierten Werkzeug erkennen.

Meine Arbeit demonstriert, dass sich der Fokus der aktuellen Savannenforschung weiten muss, um die Reaktionen von Savannen auf sich ändernde Umweltbedingungen vorherzusagen. Um Savannen langfristig zu erhalten, müssen jedoch die bereits vorhandenen Grundlagen in einem soliden Framework zusammen gebracht werden.
KW  - Savanna ecology
KW  - mathematical modelling
KW  - coexistence mechanisms
KW  - Savanna resilience
KW  - woody encroachment
KW  - early warning signals
KW  - mathematische Modelierung
KW  - Koexistenz Mechanismen
KW  - Savannen Resilienz
KW  - Verbuschung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395000
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sureshkumar, Priyavathi
T1  - Erweiterung der zellbasierten Calcium-Imaging-Methode im eukaryotischen zellfreien Proteinsynthese-System für die transient-receptor-potential (TRP) - Ionenkanäle
N2  - Die Fluoreszenz-Calcium-Imaging-Methode wird auch heute noch als gängige Methode verwendet, vor allem wegen der geringeren Kosten für das Wirkstoffscreening in der pharmazeutischen Forschung, wobei Ionenkanäle sowie einige der G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) die Mehrzahl der Wirkstoffziele ansprechen. Die zellfreie Synthese eukaryotischer Proteine hat nicht die Nachteile, die bei der Überexpression dieser ionenpermeablen Proteine in Zellen auftreten können, wie z. B. Zelltoxizität, geringere Proteinexpression und die Beseitigung der exprimierten Proteine aufgrund veränderter Domänen sowie die zeitaufwändige Pflege von Zelllinien. Die Synthese von Ionenkanälen in zellfreien Proteinsyntheseplattformen für das künftige Wirkstoffscreening ist noch in der Grundlagenforschung. Obwohl die Fluoreszenz-Calcium-Imaging-Methode in zellbasierten Assays weit verbreitet ist, wurde diese Methode bisher noch nicht in zellfreien Proteinexpressionssystemen verwendet. Insgesamt ist die neue Anwendung der Calcium-Imaging-Methode in eukaryontischen zellfreien Systemen eine Voraussetzung für die schnelle pharmakologische Analyse von Wirkstoffen. Das erste Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit bestand darin, die grundlegenden Prinzipien der Calcium-Imaging-Methode zur Untersuchung von Ionenkanälen in zellbasierten Systemen zu untersuchen. Hierfür wurden zwei Tumorzelllinien des Auges verwendet, und zwar benigne Pterygiumzellen und maligne Aderhautmelanom 92.1 Zellen. In diesen Studien wurde die Interaktion zwischen den nativ überexprimierten transient-receptor-potential-Ionenkanälen (TRPs) wie TRP Vanilliod 1 (TRPV1) (Capsaicinrezeptor) und TRP Melastatin 8 (TRPM8) (Mentholrezeptor) in diesen Tumorzellen nach Zugabe von verschiedenen Medikamenten und Hormonen untersucht. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, den Calcium-Mechanismus von GPCRs in den Zellen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde Mas, ein GPCR und Angiotensin (1-7) -Hormonrezeptor, aus dem renin-angiotensin-aldosteron-system (RAAS) in der Human Embryonic Kidney-293 (HEK293) Zelllinie überexprimiert. In dieser Studie wurden insbesondere die Aktivierung klassischer GPCR-Signalwege wie Phospholipase C und Proteinkinase C durch Angiotensin-(1-7) über Mas und die Beteiligung von TRP-Kanälen nachgewiesen. Die zellbasierte-Calcium-Imaging-Methode für chemische Calcium-Indikatoren ließ sich aufgrund der Anwesenheit einer großen Menge cytosolischer Carboxylesterasen gut anwenden. Carboxylesterase ist das wichtigste Enzym in der Calcium Imaging Methode, das die Verarbeitung chemischen Calcium-Farbstoffe behandelt. Dieses Enzym fehlt jedoch in Mikrosomen, die als Basismembran für die Integration synthetisierter Ionenkanäle in eukaryontischen zellfreien Systemen verwendet werden. Das dritte Ziel dieser Forschungsarbeit war die Umsetzung der zellbasierten Calcium-Imaging Methode und der Calcium-Signalwege in zellfreie Systeme. Hier wurde die zellfrei synthetisierte Carboxylesterase in Mikrosomen von Spodoptera frugiperda (Sf21) als praktikables Calcium-Imaging-Werkzeug etabliert, um sowohl native ionenpermeable Proteine als auch zellfrei-synthetisierte Ionenkanäle zu untersuchen. Die Enzymaktivität der zellfrei-synthetisierten Carboxylesterase in Mikrosomen wurde durch Esterase-Assays und den Calcium-Fluoreszenzfarbstoff Fluo-5N Acetoxymethylester (Fluo-5N AM) Belastungstests nachgewiesen. Das Calcium-Imaging der nativ vorhandenen Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen/endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und der Ryanodin-Rezeptoren (RyR) in den Mikrosomen sowie der zell-frei exprimierten TRP-Ionenkanäle wurden mit dem Fura-5N-AM- Fluoreszenzfarbstoff in mit Carboxylesterase vorsynthetisierten Mikrosomen nachgewiesen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Prinzip der zellbasierten Calcium-Imaging -Methode vielversprechend an das eukaryotische zellfreie Sf21-System angepasst werden konnte, um Ionenkanäle zu analysieren. Nach entsprechender Forschung könnte die etablierte Methode in Zukunft auch auf andere Membranproteine ausgeweitet werden. Dies umfasst die Untersuchung anderer zell-frei exprimierte GPCRs oder anderer Ionenkanäle wie Kalium-, Natrium- und Chlorid-Ionenkanäle.
N2  - Fluorescence calcium imaging is still used today used as the common method, mainly due to its cheaper costs for drug screening in pharmaceutical research encompassing both ion channels, and part of G- Protein Coupled Receptors (GPCRs) in the major share of drug targets. Eukaryotic cell-free protein translation overcomes several drawbacks that might occur for overexpression of these ion-permeable proteins in the cells such as cell toxicity, poor protein expression, and deletion due to modified protein domain and time-consuming cell line maintenance. Expressing ion channels in the cell-free protein synthesis platform for future drug screening processes is still ongoing basic research and so far, no calcium imaging technique for cell-free expressed ion channels is available. Taken together, the novel application of the fluorescence calcium imaging method in eukaryotic cell-free systems is a prerequisite for rapid pharmacological drug investigations, which are not feasible using conventional call-based approaches. The aim of this thesis is to investigate the common calcium signaling pathways relevant to drug research via ion channels and GPCRs in cell-based systems. Thereby, the basic mechanism of the cell-based calcium imaging for chemical calcium indicators is studied and then translate its principle to the cell-free protein synthesis platforms. In order to study the cell-based calcium imaging and calcium pathways, two types of eye tumor cell-based models, namely benign pterygial tumor cells and malign uveal melanoma 92.1 cells were used. Specifically, the interplay between the natively expressed Transient Receptor Potential Channels (TRPs) like TRP-Vanilloid 1 (TRPV1) (Capsaicin receptor) and TRP-Melastatin 8 (TRPM8) (Menthol receptor) in these tumor cells was investigated by application of various drugs and hormones. The second aim of this thesis was to investigate the cell-based calcium mechanism of GPCRs. For this, overexpressed Mas, a GPCR and Angiotensin-(1-7) hormone receptor, from the Renin Angiotensin Aldosterone System (RAAS) in the Human Embryonic Kidney (HEK293) cells was used. Particularly, the activation of classical GPCR pathways like Phospholipase C and Proteinkinase C via Ang-(1-7) through Mas and the involvement of TRPs was proven in this study. The third aim of this thesis is to translate the cell-based calcium imaging principle to cell-free systems. Cell-based calcium imaging for chemical calcium indicators could be performed with all ease due to the presence of a large amount of cytosolic carboxylesterase, the crucial enzyme which handles the chemical calcium dyes. But this enzyme is absent in microsomes. Microsomes are used as a backbone membrane to integrate the synthesized ion channels in a eukaryotic cell-free system. Cell-free synthesized carboxylesterase in Spodoptera frugiperda (Sf21) microsomes is established as a viable calcium imaging tool to study both natively present ion permeable proteins and cell-free synthesized ion channels. The enzyme activity of the carboxylesterase in microsomes was confirmed by esterase assays and fluorescent calcium dye Fluo-5N Acetoxymethylester (Fluo-5N AM) loading assays. Fluorescent calcium imaging of natively present SERCA (Sarco Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase) and ryanodine channels in the microsomes and cell-free expressed TRPV1 channel was demonstrated using Fluo-5N AM fluorescent dye in carboxylesterase pre-synthesized microsomes. With adequate research in future, the established method could be promisingly extended to study other cell-free expressed GPCRs or other ion channels like potassium, sodium, and chloride ion channels.
KW  - zellfreie Proteinsynthese
KW  - Calcium-Imaging
KW  - transient-receptor-potential-Ionenkanäle
KW  - calcium imaging
KW  - transient receptor potential ion channels
KW  - cell-free protein synthesis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619872
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sun, Xianlei
T1  - Elasticity of fiber meshes derived from multiblock copolymers influences cell behaviors
T1  - Elastizität von Fasergeweben abgeleitet Multiblockcopolymere beeinflussen das Zellverhalten.
N2  - Objective: The behaviors of endothelial cells or mesenchymal stem cells are remarkably influenced by the mechanical properties of their surrounding microenvironments. Here, electrospun fiber meshes containing various mechanical characteristics were developed from polyetheresterurethane (PEEU) copolymers. The goal of this study was to explore how fiber mesh stiffness affected endothelial cell shape, growth, migration, and angiogenic potential of endothelial cells. Furthermore, the effects of the E-modulus of fiber meshes on human adipose-derived stem cells (hADSCs) osteogenic potential was investigated.
Methods: Polyesteretherurethane (PEEU) polymers with various poly(p-dioxanone) (PPDO) to poly (ε-caprolactone) (PCL) weight percentages (40 wt.%, 50 wt.%, 60 wt.%, and 70 wt.%) were synthesized, termed PEEU40, PEEU50, PEEU60, and PEEU70, accordingly. The electrospinning method was used for the preparation of PEEU fiber meshes. The effects of PEEU fiber meshes with varying elasticities on the human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) shape, growth, migration and angiogenic potential were characterized. To determine how the E-modulus of fiber meshes affects  the osteogenic potential of hADSCs, the cellular and nuclear morphologies and osteogenic differentiation abilities were evaluated.
Results: With the increasing stiffness of PEEU fiber meshes, the aspect ratios of HUVECs cultivated on PEEU materials increased. HUVECs cultivated on high stiffness fiber meshes (4.5 ± 0.8 MPa) displayed a considerably greater proliferation rate and migratory velocity, in addition demonstrating increased tube formation capability, compared with those of the cells cultivated on lower stiffness fiber meshes (2.6 ± 0.8 MPa). Furthermore, in comparison to those cultivated on lower stiffness fiber meshes, hADSCs adhered to the highest stiffness fiber meshes PEEU70 had an elongated shape. The hADSCs grown on the softer PEEU40 fiber meshes showed a reduced nuclear aspect ratio (width to height) than those cultivated on the stiffer fiber meshes. Culturing hADSCs on stiffer fibers improved their osteogenic differentiation potential. Compared with cells cultured on PEEU40, osteocalcin expression and alkaline phosphatase (ALP) activity increased by 73 ± 10% and 43 ± 16%, respectively, in cells cultured on PEEU70.
Conclusion: The mechanical characteristics of the substrate are crucial in the modulation of cell behaviors. These findings indicate that adjusting the elasticity of fiber meshes might be a useful method for controlling the blood vessels development and regeneration. Furthermore, the mechanical characteristics of PEEU fiber meshes might be modified to control the osteogenic potential of hADSCs.
N2  - Ziel: Das Verhalten von Endothelzellen oder mesenchymalen Stammzellen wird erheblich von den mechanischen Eigenschaften der Mikroumgebung beeinflusst. Hier wurden elektrogesponnene Fasernetze mit unterschiedlicher Elastizität aus Polyetheresterurethan (PEEU) hergestellt. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Elastizität von Fasernetzen auf die Zellmorphologie, Proliferation, Migration und Angiogenese von Endothelzellen zu untersuchen. Außerdem war der Einfluss des E-Moduls von Fasersubstraten auf die Bindung an die Abstammungslinie von humanen Fettstammzellen (hADSCs) untersucht.
Methoden: Polyesteretherurethane (PEEU) mit unterschiedlichen Poly(p-dioxanon) (PPDO) to Poly (ε-Caprolacton) （PCL）-Gewichtsverhältnissen (40:60, 50:50, 60:40, 70:30) wurden synthetisiert und als PEEU40, PEEU50, PEEU60 bzw. PEEU70 bezeichnet. Die Fasernetze wurden durch Elektrospinnen von PEEU hergestellt. Dann wurden humane Endothelzellen der Nabelschnurvene (HUVECs) auf diesen elektrogesponnenen Fasernetzen aus Polyetheresterurethan (PEEU) kultiviert, die sich in ihrer Elastizität unterscheiden. Zellmorphologie, Proliferation, Migration und Angiogenese von Endothelzellen auf den abbaubaren Substraten wurden charakterisiert. Für den Einfluss des E-Moduls von Fasersubstraten auf die Bindung an die Abstammungslinie von hADSCs-Zellen und die Kernmorphologie wurde die Fähigkeit zur osteogenen Differenzierung bewertet.
Ergebnisse: Das Aspektverhältnis von HUVECs, die auf den Fasernetzen aus PEEU-Materialien kultiviert wurden, nahm mit zunehmender Steifheit der Materialien zu. HUVECs, die auf Fasernetzen mit hoher Steifheit (Young-Modul E = 4,5 ± 0,8 MPa) kultiviert wurden, zeigten eine höhere Proliferationsrate und eine signifikant schnellere Migrationsgeschwindigkeit sowie ein höheres Röhrenbildungsvermögen als die Zellen, die auf Fasernetzen mit niedriger Steifheit kultiviert wurden (E = 2,6 ± 0,8 MPa). Des Weiteren zeigten an steiferen PEEU70-Fasernetzen (PPDO: PCL = 70:30) gebundene hADSCs eine verlängerte Morphologie im Vergleich zu jenen, die auf weicheren Fasern kultiviert wurden. Das Kernaspektverhältnis (Breite gegen Länge eines Kerns) von hADSCs, die auf weicheren PEEU40-Fasern (PPDO: PCL = 40:60) kultiviert wurden, war niedriger als auf steiferen Fasern. Die osteogene Differenzierung von hADSCs wurde durch Kultivierung auf steiferen Fasern verstärkt. Im Vergleich zu PEEU40 wurde in Zellen auf PEEU70 eine 73 ± 10% ige Steigerung der Osteocalcin-Expression und eine 34 ± 16% ige Steigerung der Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) beobachtet.
Schlussfolgerung: Die mechanischen Eigenschaften des Substrats spielen eine Schlüsselrolle bei der Modulation des Zellverhaltens. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Einstellen der Elastizität der Fasernetze eine potenzielle Strategie zur Modulation der Bildung oder Regeneration von Blutgefäßen sein könnte. Darüber hinaus könnte die Differenzierung von hADSCs durch die Anpassung der mechanischen Eigenschaften von elektrogesponnenen Fasern gestaltet werden.
KW  - PEEU
KW  - fiber mesh scaffolds
KW  - osteogenesis
KW  - angiogenesis
KW  - stiffness
KW  - hADSC
KW  - HUVEC
KW  - HUVEC
KW  - PEEU
KW  - Angiogenese
KW  - Gerüste aus Fasergeflecht
KW  - hADSC
KW  - Osteogenese
KW  - Steifheit
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535285
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TY  - THES
A1  - Stübler, Sabine
T1  - Mathematical model of the mucosal immune response to study inflammatory bowel diseases and their treatments
T1  - Mathematisches Modell der mukosalen Immunantwort zur Analyse von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und deren Behandlung
N2  - Inflammatory bowel diseases (IBD), characterised by a chronic inflammation of the gut wall, develop as consequence of an overreacting immune response to commensal bacteria, caused by a combination of genetic and environmental conditions. Large inter-individual differences in the outcome of currently available therapies complicate the decision for the best option for an individual patient. Predicting the prospects of therapeutic success for an individual patient is currently only possible to a limited extent; for this, a better understanding of possible differences between responders and non-responders is needed.
In this thesis, we have developed a mathematical model describing the most important processes of the gut mucosal immune system on the cellular level. The model is based on literature data, which were on the one hand used (qualitatively) to choose which cell types and processes to incorporate and to derive the model structure, and on the other hand (quantitatively) to derive the parameter values. Using ordinary differential equations, it describes the concentration-time course of neutrophils, macrophages, dendritic cells, T cells and bacteria, each subdivided into different cell types and activation states, in the lamina propria and mesenteric lymph nodes. We evaluate the model by means of simulations of the healthy immune response to salmonella infection and mucosal injury.
A virtual population  includes IBD patients, which we define through their initially asymptomatic, but after a trigger chronically inflamed gut wall. We demonstrate the model's usefulness in different analyses: (i) The comparison of virtual IBD patients with virtual healthy individuals shows that the disease is elicited by many small or fewer large changes, and allows to make hypotheses about dispositions relevant for development of the disease. (ii) We simulate the effects of different therapeutic targets and make predictions about the therapeutic outcome based on the pre-treatment state. (iii) From the analysis of differences between virtual responders and non-responders, we derive hypotheses about reasons for the inter-individual variability in treatment outcome. (iv) For the example of anti-TNF-alpha therapy, we analyse, which alternative therapies are most promising in case of therapeutic failure, and which therapies are most suited for combination therapies: For drugs also directly targeting the cytokine levels or inhibiting the recruitment of innate immune cells, we predict a low probability of success when used as alternative treatment, but a large gain when used in a combination treatment. For drugs with direct effects on T cells, via modulation of the sphingosine-1-phosphate receptor or inhibition of T cell proliferation, we predict a considerably larger probability of success when used as alternative treatment, but only a small additional gain when used in a combination therapy.
N2  - Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED), charakterisiert durch chronische Entzündung der Darmwand, entstehen durch eine Überreaktion der Immunantwort auf kommensale Bakterien, ausgelöst durch eine Kombination an genetischen und Umwelteinflüssen. Große inter-individuelle Unterschiede im Behandlungserfolg mit den verfügbaren Medikamenten erschweren die Wahl der für den jeweiligen Patienten besten Therapieoption. Eine Vorhersage der Erfolgsaussichten einer Behandlung für einen Patienten ist zum jetzigen Zeitpunkt nur sehr bedingt möglich; dafür wird ein besseres Verständnis möglicher Unterschiede zwischen sogenannten Respondern und Non-Respondern (Patienten, die gut bzw. schlecht auf ein Medikament ansprechen) benötigt.
In der Dissertation haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, das die wichtigsten Prozesse des mukosalen Immunsystems des Darms auf zellulärer Ebene beschreibt. Das Modell basiert auf Literaturdaten, die einerseits (qualitativ) zur Auswahl der zu betrachtenden Zelltypen und Prozesse und zur Herleitung der Modellstruktur und andererseits (quantitativ) zur Herleitung der Parameterwerte verwendet wurden. Mithilfe gewöhnlicher Differentialgleichungen wird der Konzentrations-Zeit-Verlauf von Neutrophilen, Makrophagen, dendritischen Zellen, T-Zellen und Bakterien, jeweils unterteilt in unterschiedliche Zelltypen und Aktivierungszustände, in der Lamina propria und den mesenterischen Lymphknoten, beschrieben. Wir evaluieren das Modells anhand von Simulationen der gesunden Immunantwort auf Salmonelleninfektion und Verletzung der Darmbarriere.
Eine virtuelle Population beinhaltet CED-Patienten, die wir durch ein zunächst asymptomatisches, aber nach einem Auslöser chronisch entzündetes Darmgewebe definieren. Wir zeigen den Nutzen des Modells anhand verschiedener Analysen: (i) Der Vergleich von virtuellen CED-Patienten und virtuellen gesunden Individuen zeigt, dass die Krankheit durch viele kleine oder wenige große Veränderungen ausgelöst werden kann, und erlaubt, Hypothesen über krankheitsauslösende Veränderungen aufzustellen. (ii) Wir simulieren verschiedene Therapiemechanismen und treffen, basierend auf dem Zustand vor Behandlungsstart, Vorhersagen über den Therapieerfolg. (iii) Durch Analyse der Unterschiede zwischen virtuellen Respondern und Non-Respondern leiten wir Hypothesen über Ursachen für die inter-individuelle Variabilität im Therapieerfolg her. (iv) Am Beispiel von TNF-alpha-Antikörpern untersuchen wir, welche alternativen Therapien bei Therapieversagen am vielversprechendsten sind und welche Therapien sich besonders für Kombinationstherapien eignen: Für Medikamente, die auch direkt die Zytokinlevel beeinflussen oder die Rekrutierung von Zellen der natürlichen Immunantwort inhibieren, sagen wir eine geringe Erfolgswahrscheinlichkeit bei Nutzung als Alternativtherapie, aber einen großen Gewinn durch Nutzung in einer Kombinationstherapie vorher. Für Medikamente mit direkten Effekten auf T-Zellen, durch Modulation des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptors oder Inhibierung der T-Zellproliferation, sagen wir eine deutlich größere Erfolgswahrscheinlichkeit bei Nutzung als Alternativtherapie, aber nur einen geringen zusätzlichen Effekt bei Nutzung in einer Kombinationstherapie vorher.
KW  - systems biology
KW  - IBD
KW  - QSP
KW  - Systembiologie
KW  - CED
KW  - QSP
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612301
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stöllner, Daniela
T1  - Neue biosensorische Prinzipien für die Hämoglobin-A1c Bestimmung
N2  - Hämoglobin-A1c (HbA1c) ist ein Hämoglobin (Hb)-Subtypus, der durch nicht-enzymatische Glykierung des N-terminalen Valinrestes der Hämoglobin-beta-Kette entsteht. Das gemessene Verhältnis von HbA1c zum Gesamt-Hämoglobin (5-20 % bei Diabetikern) repräsentiert den Mittelwert der Blutglucosekonzentration über einen zweimonatigen Zeitraum und stellt zur Beurteilung der diabetischen Stoffwechsellage eine Ergänzung zur Akutkontrolle der Glukosekonzentration dar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen amperometrischen Biosensor für die Bestimmung des medizinisch relevanten Parameters HbA1c zu entwickeln. Durch Selektion geeigneter Bioerkennungselemente und deren Immobilisierung unter Erhalt der Bindungsfunktion für die Zielmoleküle Hämoglobin bzw. HbA1c wurden spezifische, hochaffine und regenerationsstabile Sensoroberflächen geschaffen. Für die Entwicklung des HbA1c-Biosensors wurden zwei Konzepte - Enzymsensor und Immunosensor - miteinander verglichen.  Die enzymatische Umsetzung von HbA1c erfolgte mit der Fructosylamin Oxidase (FAO) aus Pichia pastoris N 1-1 unter Freisetzung von H2O2, welches sowohl optisch über eine Indikatorreaktion als auch elektrochemisch nach Einschluss der FAO in PVA-SbQ und Fixierung des Immobilisats vor einer H2O2-Elektrode nachgewiesen wurde. Die Kalibration des Enzymsensors mit der HbA1c-Modellsubstanz Fructosyl-Valin ergab Nachweisgrenzen, die ausserhalb des physiologisch relevanten HbA1c-Konzentrationsbereich lagen. Aus der Umsetzung von glykierten Peptiden mit einer nicht HbA1c analogen Aminosäurensequenz, z.B. Fructosyl-Valin-Glycin wurde zudem eine geringe HbA1c-Spezifität abgeleitet. Für den Immunosensor wurden zwei heterogene Immunoassay-Formate unter Verwendung von hochaffinen und spezifischen Antikörpern in Kombination mit Glucose Oxidase (GOD) als Markerenzym zum Nachweis von HbA1c untersucht. Beim indirekt-kompetitiven Immunoassay wurde anstelle des kompletten HbA1c-Moleküls das glykierte Pentapeptid Fructosyl-Valin-Histidin-Leucin-Threonin-Prolin (glkPP) als Kompetitor und Affinitätsligand immobilisiert und so eine regenerierfähige Oberfläche geschaffen. Beim Sandwich-Immunoassay wurde im ersten Schritt Gesamt-Hämoglobin an die mit Haptoglobin (Hp) modifizierte Festphase angereichert und im zweiten Schritt der gebundene HbA1c-Anteil nachgewiesen.  Für die Konstruktion des HbA1c-Immunosensors wurden Affinitätsmatrizen durch Modifizierung von Cellulose-Dialysemembranen mit glkPP bzw. Hp hergestellt. Grundlegend studiert wurde die Aktivierung der Cellulose-Membranen mit 1,1'-Carbonyldiimidazol (CDI) und 1-Cyano-4-dimethylaminopyridintetrafluoroborat (CDAP) als Aktivierungsagenzien. Eine gerichtete Immobilisierung der Liganden wurde realisiert, indem glkPP über dessen C-Terminus (einzige Carboxylatgruppe) und Hp über dessen periodat-oxidiertem Kohlenhydratrest an die amino- oder hydrazidfunktionalisierte Membranen kovalent gekoppelt wurden.  Mit dem Einsatz der glkPP- und Hp-modifizierten Membranen in der elektrochemischen Messzelle war erstmalig der biosensorische Nachweis von HbA1c möglich. Als Transduktor diente eine Pt-Elektrode, an der das von der GOD generierte H2O2 umgesetzt und ein mit der HbA1c-Konzentration korrelierendes Stromsignal erzeugt wurde. Die Immunosensoren zeigten Ansprechzeiten von 3 s. Mit dem Immunosensor auf Basis des indirekt-kompetitiven Testprinzips wurde eine Kalibrationskurve für HbA1c im Bereich von 0,25-30 &#181;g/ml (3,9-465 nM, CV 3-9 %) mit Assayzeiten von 60 min und mit dem Immunosensor im Sandwich-Format eine Kalibrationskurve im Bereich von 0,5-5 &#181;g/ml (7,8-78 nM; 5-50 % HbA1c vom Gesamt-Hb, CV 6-10 %, 3 h) aufgenommen.
N2  - Hemoglobin-A1c (HbA1c) is a hemoglobin subtype formed by non-enzymatic reaction of glucose with the N-terminus of the beta-polypeptide chains. As it reflects the glycemic status of diabetics over the preceding 8-12 weeks, the determination of HbA1c has become an established procedure in the management of diabetes mellitus. It is measured as the percentage of total hemoglobin. Up to 5 % HbA1c are considered as normal whereas in diabetic subjects it could be elevated from 5-20 %. In addition to amperometric biosensors for glucose self monitoring which have been successfully applied in diabetes management, biosensors for HbA1c would be an useful supplement for a comprehensive diabetes control.   Objective of this work was to develop and compare amperometric biosensors for determination of HbA1c based on enzymatic and immunochemical methods.   For the enzyme based HbA1c assay a novel fructosamine oxidase (FAO) derived from marine yeast Pichia pastoris, strain N1-1 was utilized. It recognizes and oxidatively degrades fructosyl-valine (FV) which corresponds to the glycated N-terminus of the beta-chain of HbA1c and therefore is regarded as a model compound for HbA1c. Hydrogen peroxide which is liberated by the FAO during FV conversion was indicated optically in a horseradish peroxidase (POD) coupled reaction and electrochemically. For the biosensor the FAO was embedded in polyvinyl alcohol-stylbazole (PVA-SbQ) and fixed it in front of a Pt-electrode. So far, the measuring range of FV did not cover the clinically relevant range of HbA1c. Low specificity was assumed since enzyme activity also was obtained with glycated peptides, e.g. fructosyl-valine-glycine, not corresponding to the glycated N-terminus of the hemoglobin-beta-chain.  For the immunosensor two immunoassays formats - heterogeneous sandwich and heterogeneous competitive - were tested. The assays were designed as follows: The competitive immunoassay was based on the immobilized synthetic glycated pentapeptide fructosyl-valine-histidine-leucine-threonine-proline (glkPP) utilized as HbA1c analogue. The peptide has an amino acid sequence corresponding to the N-terminus of the hemoglobin beta-chains and is capable for competition together with the HbA1c of the sample for the amount of a glucose oxidase (GOD)-labelled anti-HbA1c antibody. In the sandwich-type assay haptoglobin (Hp), a natural hemoglobin binding molecule with antibody characteristic properties, was used as bioreceptor for enrichment of total hemoglobin onto the surface. In a subsequent step the HbA1c fraction was quantified by a GOD-labelled HbA1c specific antibody.   Cellulose dialysis membrane was used as the solid support for immobilization of Hp and glkPP near the sensor surface. For activation of the membrane two reagents, 1,1&prime;-carbonyldiimidazole (CDI) and 1-cyano-4-dimethylamino pyridinium tetrafluoroborate (CDAP), were compared with respect to the degree of activation and coupling efficiency. Site-directed immobilization of Hp and glkPP was achieved by coupling Hp via its carbohydrate residue and glkPP via its C-terminus to the activated membrane using a bis-amine or bis-hydrazide spacer.   The affinity membranes were placed in front of a modified Clark-type hydrogen peroxide electrode in an electrochemical measuring cell and HbA1c analysis was carried out within the stirred cell. Detection of the bound GOD-label was achieved by measurement of the electrocatalytic oxidation of hydrogen peroxide at +600 mV vs. Ag/AgCl. The indication was done in only 3 s. For the competitive principle a typical inhibition curve with a linear range between 0,25-30 &#181;g/ml (3,9-465 nM, CV 3-9 %, 60 min per sample) HbA1c was obtained. Due to the high functional stability of the peptide multiple regeneration of the affinity surface was possible without loss of binding capacity. With the sandwich assay configuration the clinically relevant range could easily be covered (calibration curve: 5-50 % HbA1c corresponding to 7,8-78 nM, CV 6-10 %, 3 h per sample).
KW  - Hämoglobin A / Bestimmung / Biosensor / Amperometrie
KW  - Glykiertes Hämoglobin; HbA1c; Diabetes; Biosensor; Immunosensor; Enzymsensor; amperometrisch; elektrochemisch; Immunoassay; Diagnostik; Haptoglobin;
KW  - Glycated hemoglobin; HbA1c; diabetes; biosensor; immunosensor; enzyme sensor; electrochemical; amperometric; immunoassay; diagnostics; haptoglobin; im
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000491
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TY  - THES
A1  - Strehmel, Nadine
T1  - GC-TOF-MS basierte Analyse von niedermolekularen Primär- und Sekundärmetaboliten agrarwirtschaftlich bedeutsamer Nutzpflanzen
T1  - GC-TOF-MS based metabolite profiling of low molecular weight primary and secondary metabolites of agricultural meaningful crops
N2  - Die Qualität von Nutzpflanzen ist von zahlreichen Einflussfaktoren wie beispielsweise Lagerbedingungen und Sorteneigenschaften abhängig. Um Qualitätsmängel zu minimieren und Absatzchancen von Nutzpflanzen zu steigern sind umfangreiche Analysen hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung notwendig. Chromatographische Techniken gekoppelt an ein Massenspektrometer und die Kernspinresonanzspektroskopie wurden dafür bislang verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Gaschromatograph an ein Flugzeitmassenspektrometer (GC-TOF-MS) gekoppelt, um physiologische Prozesse bzw. Eigenschaften (die Schwarzfleckigkeit, die Chipsbräunung, das Physiologische Alter und die Keimhemmung) von Nutzpflanzen aufzuklären. Als Pflanzenmodell wurde dafür die Kartoffelknolle verwendet. Dazu wurden neue analytische Lösungsansätze entwickelt, die eine zielgerichtete Auswertung einer Vielzahl von Proben, die Etablierung einer umfangreichen Referenzspektrenbibliothek und die sichere Archivierung aller experimentellen Daten umfassen. Das Verfahren der Probenvorbereitung wurde soweit modifiziert, dass gering konzentrierte Substanzen mittels GC-TOF-MS analysiert werden können. Dadurch wurde das durch die Probenvorbereitung limitierte Substanzspektrum erweitert. Anhand dieser Lösungsansätze wurden physiologisch relevante Stoffwechselprodukte identifiziert, welche indikativ (klassifizierend) bzw. prädiktiv (vorhersagend) für die physiologischen Prozesse sind. Für die Schwarzfleckigkeitsneigung und die Chipseignung wurde jeweils ein biochemisches Modell zur Vorhersage dieser Prozesse aufgestellt und auf eine Züchtungspopulation übertragen. Ferner wurden für die Schwarzfleckigkeit Stoffwechselprodukte des Respirationsstoffwechsels identifiziert sowie Aminosäuren, Glycerollipide und Phenylpropanoide für das Physiologische Alter als relevant erachtet. Das physiologische Altern konnte durch die Anwendung höherer Temperaturen beschleunigt werden. Durch Anwendung von Keimhemmern (Kümmelöl, Chlorpropham) wurde eine Verzögerung des physiologischen Alterns beobachtet. Die Applikation von Kümmelöl erwies sich dabei als besonders vorteilhaft. Kümmelöl behandelte Knollen wiesen im Vergleich zu unbehandelten Knollen nur Veränderungen im Aminosäure-, Zucker- und Sekundärstoffwechsel auf. Chlorpropham behandelte Knollen wiesen einen ähnlichen Stoffwechsel wie die unbehandelten Knollen auf. Für die bislang noch nicht identifizierten Stoffwechselprodukte wurden im Rahmen dieser Arbeit das Verfahren der „gezielten An-/Abreicherung“, der „gepaarten NMR/GC-TOF-MS Analyse“ und das „Entscheidungsbaumverfahren“ entwickelt. Diese ermöglichen eine Klassifizierung von GC-MS Signalen im Hinblick auf ihre chemische Funktionalität. Das Verfahren der gekoppelten NMR/GC-TOF-MS Analyse erwies sich dabei als besonders erfolgversprechend, da es eine Aufklärung bislang unbekannter gaschromatographischer Signale ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Stoffwechselprodukte in der Kartoffelknolle identifiziert, wodurch ein wertvoller Beitrag zur Analytik der Metabolomik geleistet wurde.
N2  - Several factors influence the quality of crops. These include particular storage conditions and cultivar properties. Minimization of quality defects requires the employment of comprehensive metabolic analysis to enhance the marketing potential of crops. From this point of view chromatographic techniques coupled either with a mass spectrometer or the combination with nuclear magnetic resonance spectroscopy have been successfully applied to solve the main tasks. In the present work, a gas chromatograph was coupled to a time of flight mass spectrometer (GC-TOF-MS) to analyze physiological processes and attitudes of crops like black spot bruising, chips tanning, physiological aging, and sprouting inhibition. For this purpose the potato tuber was employed as a model plant. Therefore, new analytical approaches were developed comprising the targeted analysis of a multitude of samples, the establishment of a comprehensive mass spectral reference library and the built up of a secure archival storage system. Furthermore, the sample preparation protocol was modified to analyze trace components with the help of GC-TOF-MS as well. This helped to extend the discovery of more endogenous metabolites. These analytical approaches were required to identify physiological relevant indicative and predictive metabolites. Consequently, a biochemical model was build up for the process of black spot bruising and chips tanning respectively. These models could be applied to an unknown breeding progeny. Metabolites of the respiratory chain were identified as relevant for the process of black spot bruising whereas amino acids, lipids and phenylpropanoids were of high importance for the process of physiological aging.  The process of physiological aging could be accelerated while applying higher temperatures and could be delayed while applying sprouting inhibitors, like caraway oil and chlorpropham. Compared to chlorpropham, caraway oil exhibited more advantages with respect to storage attitudes although it caused significant changes in the amino acid, sugar and secondary metabolism during a common storage period. However, the chlorpropham treated tubers showed a similar phenotype in comparison to the control tubers. In addition, several methods were developed with respect to the classification of yet unidentified signals. These cover the decision tree process, the targeted enrichment and depletion of specific metabolites with the help of solid phase extraction and the paired NMR and GC-MS analyses. The paired NMR and GC-MS analysis appears very promising because it allows for the identification of unknown GC-MS signals. Thus, this work makes a valuable contribution to the analytics of the metabolome, as new metabolites could be identified which are of physiological relevance for the potato tuber.
KW  - Stoffwechselprodukt
KW  - Kartoffelknolle
KW  - Identifizierung
KW  - analytische Lösungsansätze
KW  - Biomarker
KW  - metabolite
KW  - potato tuber
KW  - identification
KW  - analytical approaches
KW  - biomarker
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51238
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TY  - THES
A1  - Streffer, Katrin
T1  - Highly sensitive measurements of substrates and inhibitors on the basis of tyrosinase sensors and recycling systems
N2  - Analytische Chemie heute meint nicht länger nur die große Messtechnik, die zeit- und kostenintensiv ist, die außerdem nur von qualifiziertem Personal zu bedienen ist und deren Resultate nur durch dieses Personal auswertbar sind. Meist erfordert diese sagen wir 'klassische analytische Messtechnik' auch noch spezielle Räumlichkeiten und oft eine relative große Menge an speziell vorbereiteten Proben. Neben dieser klassischen analytischen Messtechnik hat sich besonders in den letzten Jahren eine auf bestimmte Stoffgruppen und Anforderungen zugeschnittene Messtechnik durchgesetzt, die oft auch durch einen Laien bedient werden kann. Meist sind es sehr kleine Geräte. Auch die benötigten Probenvolumina sind klein und eine spezielle Probenvorbereitung ist nicht erforderlich. Ausserdem sind die Geräte einfach zu handhaben, billig sowohl in ihrer Herstellung als auch im Gebrauch und meist erlauben sie sogar eine kontinuierliche Messwerterfassung.   Zahlreiche dieser in den letzten Jahren entwickelten Geräte greifen zurück auf 40 Jahre Forschung auf dem Gebiet der Biosensorik. Seit Clark und Lyons im Jahr 1962 in der Lage waren, mit einer einfachen Sauerstoffelektrode, ergänzt durch ein Enzym, Glucose zu messen, war die Entwicklung neuer Messtechnik nicht mehr aufzuhalten. Biosensoren, spezielle Messfühler, die aus einer Kombination aus biologischer Komponente (erlaubt eine spezifische Erkennung des Analyten auch ohne vorherige Reinigung der Probe) und einem physikalischen Messfühler (wandelt den primären physikochemischen Effekt in ein elektronisch messbares Signal um) bestehen, eroberten den Markt.   Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Tyrosinasesensoren entwickelt, die je nach Herkunft und Eigenschaften der verwendeten Tyrosinase unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Beispielsweise wurde einer dieser Tyrosinasesensoren für die Bestimmung phenolischer Verbindungen in Fluss- und Seewasserproben eingesetzt, und die mit diesem Sensor gemessenen Ergebnisse konnten sehr gut mit dem entsprechenden DIN-Test zur Bestimmung phenolischer Verbindungen korreliert werden. Ein anderer entwickelter Sensor zeigte eine sehr hohe Empfindlichkeit für Catecholamine, Substanzen die speziell in der medizinischen Diagnostik von Wichtigkeit sind.   Ausserdem zeigten die ebenfalls im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführten Untersuchungen zweier verschiedener Tyrosinasen, dass, will man in Zukunft noch empfindlichere Tyrosinasesensoren entwickeln, eine spezielle Tyrosinase (Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus) die bessere Wahl sein wird, als die bisher im Bereich der Biosensorforschung verwendete Tyrosinase aus Agaricus bisporus.   Desweiteren wurden erste Erfolge auf molekularbiologischem Gebiet erreicht, das heisst, dass Tyrosinasemutanten mit speziellen, vorher überlegten Eigenschaften, hergestellt werden sollen. Diese Erfolge können dazu genutzt werden, eine neue Generation an Tyrosinasesensoren zu entwickeln, Tyrosinasesensoren in denen Tyrosinase gerichtet gebunden werden kann, sowohl an den entsprechenden physikalischen Messfühler oder auch an ein anderes Enzym. Davon verspricht man sich deutlich minimierte Wege, die die zu bestimmende Substanz (oder deren Produkt) sonst zurücklegen müsste, was am Ende zu einer deutlich erhöhten Empfindlichkeit des resultierenden Biosensors führen sollte.
N2  - Today, analytical chemistry does not longer consist of only the big measuring devices and methods which are time consuming and expensive, which can furthermore only be handled by the qualified staff and in addition the results can also only be evaluated by this qualified staff. Usually, this technique, which shall be described in the following as 'classic analytic measuring technique', requires also rooms equipped especially and often a relative big quantity of the test compounds which should be prepared especially. Beside this classic analytic measuring technique, limited on definite substance groups and requests, a new measuring technique has gained acceptance particularly within the last years, which one can often be used by a layman, too. Often the new measuring technique has very little pieces of equipment. The needed sample volumes are also small and a special sample preparation isn't required. In addition, the new measuring instruments are simple to handle. They are cheap both in their production and in the use and they permit even a continuous measurement recording usually.   Numerous of this new measuring instruments base on the research in the field of Biosensorik during the last 40 years. Since Clark and Lyon in the year 1962 were able to measure glucose with a simple oxygen electrode, completed by an enzyme the development of the new measuring technique did not have to be held back any longer. Biosensors, special pickups which consists of a combination from a biological component (permits a specific recognition of the analyte also without purification of the sample previously) and a physical pickup (convert the primary physicochemical effect into an electronically measurable signal), conquered the market.   In the context of this thesis different tyrosinasesensors were developed which fulfilling the various requests, depending on origin and features of the used tyrosinase. One of the tyrosinasesensors for example was used for quantification of phenolic compounds in river and sea water and the results could correlated very well with the corresponding DIN-test for the determination of phenolic compounds. An other developed tyrosinasesensor showed a very high sensitiveness for catecholamines, substances which are of special importance in the medical diagnostics.   In addition, the investigations of two different tyrosinases, which were carried out also in the context of this thesis, have shown, that a special tyrosinase (tyrosinase from Streptomyces antibioticus) will be the better choice as tyrosinase from Agaricus bisporus, which is used in the area of biosensor research till now, if one wants to develop in future even more sensitive tyrosinasesensors.   Furthermore, first successes became reached on a molecular biological field, the production of tyrosinasemutants with special, before well-considered features. These successes can be used to develop a new generation of tyrosinasesensors, tyrosinasesensors in which tyrosinase can be bound directionally both to the corresponding physical pickup or also to another enzyme. From this one expects to achieve ways minimized which the substance to be determined (or whose product) otherwise must cover. Finally, this should result in an clearly visible increase of sensitivity of the Biosensor.
KW  - Enzymelektrode ; Monophenolmonooxygenase
KW  - Tyrosinase
KW  - Phenol
KW  - Biosensor
KW  - Glucosedehydrogenase
KW  - Recyclingsystem
KW  - Tyrosinaseinhibitoren
KW  - Bioelektrokatalytisches Recycling
KW  - Biokatalytisches Recyc
KW  - tyrosinase
KW  - phenol
KW  - biosensor
KW  - glucose dehydrogenase
KW  - recycling system
KW  - tyrosinase inhibitors
KW  - bioelectrocatalytic recycling
KW  - biocatalytic recycling
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000632
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TY  - THES
A1  - Stiegler, Jonas
T1  - Mobile link functions in unpredictable agricultural landscapes
N2  - Animal movement is a crucial aspect of life, influencing ecological and evolutionary processes. It plays an important role in shaping biodiversity patterns, connecting habitats and ecosystems. Anthropogenic landscape changes, such as in agricultural environments, can impede the movement of animals by affecting their ability to locate resources during recurring movements within home ranges and, on a larger scale, disrupt migration or dispersal. Inevitably, these changes in movement behavior have far-reaching consequences on the mobile link functions provided by species inhabiting such extensively altered matrix areas. In this thesis, I investigate the movement characteristics and activity patterns of the European hare (Lepus europaeus), aiming to understand their significance as a pivotal species in fragmented agricultural landscapes. I reveal intriguing results that shed light on the importance of hares for seed dispersal, the influence of personality traits on behavior and space use, the sensitivity of hares to extreme weather conditions, and the impacts of GPS collaring on mammals' activity patterns and movement behavior. 
In Chapter I, I conducted a controlled feeding experiment to investigate the potential impact of hares on seed dispersal. By additionally utilizing GPS data of hares in two contrasting landscapes, I demonstrated that hares play a vital role, acting as effective mobile linkers for many plant species in small and isolated habitat patches. The analysis of seed intake and germination success revealed that distinct seed traits, such as density, surface area, and shape, profoundly affect hares' ability to disperse seeds through endozoochory. These findings highlight the interplay between hares and plant communities and thus provide valuable insights into seed dispersal mechanisms in fragmented landscapes. 
By employing standardized behavioral tests in Chapter II, I revealed consistent behavioral responses among captive hares while simultaneously examining the intricate connection between personality traits and spatial patterns within wild hare populations. This analysis provides insights into the ecological interactions and dynamics within hare populations in agricultural habitats. Examining the concept of animal personality, I established a link between personality traits and hare behavior. I showed that boldness, measured through standardized tests, influences individual exploration styles, with shy and bold hares exhibiting distinct space use patterns. In addition to providing valuable insights into the role of animal personality in heterogeneous environments, my research introduced a novel approach demonstrating the feasibility of remotely assessing personality types using animal-borne sensors without additional disturbance of the focal individual. 
While climate conditions severely impact the activity and, consequently, the fitness of wildlife species across the globe, in Chapter III, I uncovered the sensitivity of hares to temperature, humidity, and wind speed during their peak reproduction period. I found a strong response in activity to high temperatures above 25°C, with a particularly pronounced effect during temperature extremes of over 35°C. The non-linear relationship between temperature and activity was characterized by contrasting responses observed for day and night. These findings emphasize the vulnerability of hares to climate change and the potential consequences for their fitness and population dynamics with the ongoing rise of temperature. 
Since such insights can only be obtained through capturing and tagging free-ranging animals, I assessed potential impacts and the recovery process post-collar attachment in Chapter IV. For this purpose, I examined the daily distances moved and the temporal-associated activity of 1451 terrestrial mammals out of 42 species during their initial tracking period. The disturbance intensity and the speed of recovery varied across species, with herbivores, females, and individuals captured and collared in relatively secluded study areas experiencing more pronounced disturbances due to limited anthropogenic influences.
Mobile linkers are essential for maintaining biodiversity as they influence the dynamics and resilience of ecosystems. Furthermore, their ability to move through fragmented landscapes makes them a key component for restoring disturbed sites. Individual movement decisions determine the scale of mobile links, and understanding variations in space use among individuals is crucial for interpreting their functions. Climate change poses further challenges, with wildlife species expected to adjust their behavior, especially in response to high-temperature extremes, and comprehending the anthropogenic influence on animal movements will remain paramount to effective land use planning and the development of successful conservation strategies. 
This thesis provides a comprehensive ecological understanding of hares in agricultural landscapes. My research findings underscore the importance of hares as mobile linkers, the influence of personality traits on behavior and spatial patterns, the vulnerability of hares to extreme weather conditions, and the immediate consequences of collar attachment on mammalian movements. Thus, I contribute valuable insights to wildlife conservation and management efforts, aiding in developing strategies to mitigate the impact of environmental changes on hare populations. Moreover, these findings enable the development of methodologies aimed at minimizing the impacts of collaring while also identifying potential biases in the data, thereby benefiting both animal welfare and the scientific integrity of localization studies.
N2  - Die Bewegung von Tieren ist ein entscheidender Aspekt des Lebens, der ökologische und evolutionäre Prozesse beeinflusst. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der biologischen Vielfalt und verbindet Lebensräume und Ökosysteme miteinander. Anthropogene Landschaftsveränderungen, z.B. in der Landwirtschaft, können die Bewegung von Tieren behindern, indem sie ihre Fähigkeiten beeinträchtigen, Ressourcen innerhalb ihres täglichen Bewegungsradius zu lokalisieren und im größeren Maßstab, ihre Wanderung oder Ausbreitung limitieren. In dieser Thesis untersuche ich die Bewegungsmerkmale und Aktivitätsmuster des Feldhasen (Lepus europaeus), um seine Bedeutung als Schlüsselart in fragmentierten Agrarlandschaften zu verstehen. Ich lege faszinierende Ergebnisse vor, die die Bedeutung des Hasen für die Verbreitung von Saatgut, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf das Verhalten und die Raumnutzung, die Sensibilität des Hasen gegenüber extremen Witterungsbedingungen und die Auswirkungen von GPS-Empfängern auf die Aktivitätsmuster und das Bewegungsverhalten der Säugetiere beleuchten.
In Kapitel I führte ich ein kontrolliertes Fütterungsexperiment durch, um den potenziellen Einfluss von Hasen auf die Samenausbreitung zu analysieren. Durch die zusätzliche Verwendung von GPS-Daten von Hasen in zwei kontrastierenden Landschaften konnte ich nachweisen, dass Hasen eine wichtige Rolle spielen, da sie in kleinen und isolierten Habitatfeldern als effektive mobile Verbindungsglieder für viele Pflanzenarten fungieren. Die Analyse der Samenaufnahme und des Keimungserfolgs zeigte, dass verschiedene Eigenschaften der Samen, wie Dichte, Oberfläche und Form, die Fähigkeit der Hasen, Samen durch Endozoochorie zu verbreiten, stark beeinflussen. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Wechselwirkung zwischen Hasen und Pflanzengemeinschaften und liefern somit wertvolle Erkenntnisse über die Mechanismen der Samenverbreitung in fragmentierten Landschaften.
Durch den Einsatz standardisierter Verhaltenstests in Kapitel II konnte ich konsistente Verhaltensreaktionen bei in Gefangenschaft lebenden Hasen aufdecken und zeitgleich den komplexen Zusammenhang zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und räumlichen Mustern in Wildhasenpopulationen untersuchen. Diese Analyse bietet Einblicke in die ökologischen Interaktionen und die Dynamik von Hasenpopulationen in landwirtschaftlichen Lebensräumen. Indem ich das Konzept der Tierpersönlichkeit untersuchte, stellte ich eine Verbindung zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und dem Verhalten von Hasen her. Ich habe gezeigt, dass die durch standardisierte Tests gemessene Kühnheit den individuellen Erkundungsstil beeinflusst, wobei schüchterne und kühne Hasen unterschiedliche Raumnutzungsmuster aufweisen. Meine Forschung liefert nicht nur wertvolle Einblicke in die Rolle der Tierpersönlichkeit in heterogenen Umgebungen, sondern stellt auch einen neuartigen Ansatz vor, der die Durchführbarkeit einer Fernbeurteilung von Persönlichkeitstypen mithilfe von am Tier angebrachten Sensoren ohne zusätzliche Störung des Zielindividuums demonstrierte.
Da die Klimabedingungen die Aktivität und folglich die Fitness von Wildtierarten auf der ganzen Welt stark beeinflussen, habe ich in Kapitel III die Sensibilität von Hasen gegenüber Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit während ihrer Hauptfortpflanzungszeit ermittelt. Ich stellte fest, dass die Aktivität stark auf hohe Temperaturen über 25 °C reagiert, wobei die Auswirkungen bei extremen Temperaturen von über 35 °C besonders ausgeprägt sind. Die nicht lineare Beziehung zwischen Temperatur und Aktivität war durch gegensätzliche Reaktionen bei Tag und Nacht gekennzeichnet. Diese Ergebnisse unterstreichen die Anfälligkeit der Hasen für den Klimawandel und die möglichen Folgen für ihre Fitness und Populationsdynamik bei einem anhaltenden Temperaturanstieg.
Da solche Erkenntnisse nur durch Fangen und Besendern von Wildtieren ermöglicht werden können, habe ich in Kapitel IV die potenziellen negativen Auswirkungen auf das Individuuum, sowie den Erholungsprozess nach dem Anlegen des Halsbandes untersucht. Hierfür analysierte ich die zurückgelegten täglichen Entfernungen in Verbindung mit der Aktivität von 1451 terrestrischen Säugetieren aus 42 verschiedenen Arten während ihrer anfänglichen Verfolgung. Die Intensität der Störung sowie die Geschwindigkeit der Erholung variieren je nach Art, wobei Pflanzenfresser, Weibchen und Individuen, die in relativ abgelegenen Untersuchungsgebieten gefangen und mit Halsbändern versehen wurden, aufgrund bisher begrenzter anthropogener Einflüsse stärkere Störungen erfahren.
Mobile Verbindungsglieder sind essentiell für die Erhaltung der Biodiversität, indem sie eine wichtige Rolle in der Dynamik und Resilienz von Ökosystemen spielen. Weiterhin macht ihre Fähigkeit, sich durch zerstückelte Landschaften zu bewegen sie zu wichtigen Schlüsselkomponenten bei der Wiederherstellung von zerstörten Landschaften. Individuelle Bewegungsentscheidungen bestimmen den Maßstab der mobilen Verbindungen und die Schwankungen der Raumnutzung unter Individuen zu verstehen ist unerlässlich, um deren Funktion zu interpretieren. Der Klimawandel stellt eine weitere Herausforderung dar, indem Wildtiere dazu gezwungen werden, sich zu adaptieren, insbesondere an Hochtemperatur-Extreme. Den anthropogenen Einfluss auf Tierbewegungen aufzudecken bleibt von größter Bedeutung in der Landnutzungsplanung und die Entwicklung von erfolgreichen Strategien zum Schutz der Natur.
Diese Thesis liefert ein umfassendes ökologisches Verständnis von Feldhasen in Agrarlandschaften. Die Ergebnisse meiner Forschung unterstreichen die Bedeutung von Hasen als mobile Bindeglieder, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf Verhalten und räumliche Muster, die Anfälligkeit von Hasen gegenüber extremen Wetterbedingungen und die unmittelbaren Folgen der Halsbandanbringung auf Tierbewegungen. Damit leiste ich einen wertvollen Beitrag zum Schutz und zur Bewirtschaftung von Wildtieren, indem ich die Entwicklung von Strategien zur Abschwächung der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Hasenpopulationen unterstütze. Darüber hinaus ermöglichen diese Erkenntnisse die Entwicklung von Methoden, die darauf abzielen, die Folgen der Halsbandanbringung zu minimieren und gleichzeitig potenzielle Verzerrungen in den Daten zu identifizieren, was sowohl dem Tierschutz als auch der wissenschaftlichen Integrität von Lokalisierungsstudien zugutekommt.
KW  - European hare
KW  - mammals
KW  - ecology
KW  - animal personality
KW  - seed dispersal
KW  - movement ecology
KW  - tracking impacts
KW  - energy budget
KW  - climate change
KW  - accelerometry
KW  - GPS
KW  - tracking
KW  - Feldhase
KW  - GPS
KW  - Beschleunigungsmessungen
KW  - Tierpersönlichkeit
KW  - Klimawandel
KW  - Tierökologie
KW  - Energiebudget
KW  - Säugetiere
KW  - Bewegungsökologie
KW  - Samenausbreitung
KW  - Tierortung
KW  - Konsequenzen von Fang und Besenderung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steppert, Isabel
T1  - Entwicklung einer nichtinvasiven Diagnostikmethode zum Nachweis von Infektionserregern
T1  - Development of a non-invasive diagnostic method for the identification of infectious pathogens
N2  - Die aktuelle COVID-19-Pandemie zeigt deutlich, wie sich Infektionskrankheiten weltweit verbreiten können. Neben Viruserkrankungen breiten sich auch multiresistente bakterielle Erreger weltweit aus. Dementsprechend besteht ein hoher Bedarf, durch frühzeitige Erkennung Erkrankte zu finden und Infektionswege zu unterbrechen. 
Herkömmliche kulturelle Verfahren benötigen minimalinvasive bzw. invasive Proben und dauern für Screeningmaßnahmen zu lange. Deshalb werden schnelle, nichtinvasive Verfahren benötigt.
Im klassischen Griechenland verließen sich die Ärzte unter anderem auf ihren Geruchssinn, um Infektionen und andere Krankheiten zu differenzieren. Diese charakteristischen Gerüche sind flüchtige organische Substanzen (VOC), die im Rahmen des Metabolismus eines Organismus entstehen. Tiere, die einen besseren Geruchssinn haben, werden trainiert, bestimmte Krankheitserreger am Geruch zu unterscheiden. Allerdings ist der Einsatz von Tieren im klinischen Alltag nicht praktikabel. Es bietet sich an, auf technischem Weg diese VOCs zu analysieren.
Ein technisches Verfahren, diese VOCs zu unterscheiden, ist die Ionenmobilitätsspektrometrie gekoppelt mit einer multikapillaren Gaschromatographiesäule (MCC-IMS). Hier zeigte sich, dass es sich bei dem Verfahren um eine schnelle, sensitive und verlässliche Methode handelt.
Es ist bekannt, dass verschiedene Bakterien aufgrund des Metabolismus unterschiedliche VOCs und damit eigene spezifische Gerüche produzieren. Im ersten Schritt dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen Bakterien in-vitro nach einer kurzen Inkubationszeitzeit von 90 Minuten anhand der VOCs differenziert werden können. Hier konnte analog zur Diagnose in biochemischen Testreihen eine hierarchische Klassifikation der Bakterien erfolgen.
Im Gegensatz zu Bakterien haben Viren keinen eigenen Stoffwechsel. Ob virusinfizierte Zellen andere VOCs als nicht-infizierte Zellen freisetzen, wurde an Zellkulturen überprüft. Hier konnte gezeigt werden, dass sich die Fingerprints der VOCs in Zellkulturen infizierter Zellen mit Respiratorischen Synzytial-Viren (RSV) von nicht-infizierten Zellen unterscheiden.
Virusinfektionen im intakten Organismus unterscheiden sich von den Zellkulturen dadurch, dass hier neben Veränderungen im Zellstoffwechsel auch durch Abwehrmechanismen VOCs freigesetzt werden können.
Zur Überprüfung, inwiefern sich Infektionen im intakten Organismus ebenfalls anhand VOCs unterscheiden lassen, wurde bei Patienten mit und ohne Nachweis einer Influenza A Infektion als auch bei Patienten mit Verdacht auf SARS-CoV-2 (Schweres-akutes-Atemwegssyndrom-Coronavirus Typ 2) Infektion die Atemluft untersucht. Sowohl Influenza-infizierte als auch SARS-CoV-2 infizierte Patienten konnten untereinander und von nicht-infizierten Patienten mittels MCC-IMS Analyse der Atemluft unterschieden werden. 
Zusammenfassend erbringt die MCC-IMS ermutigende Resultate in der schnellen nichtinvasiven Erkennung von Infektionen sowohl in vitro als auch in vivo.
N2  - The current COVID-19 pandemic demonstrates the worldwide spread of infectious diseases. Besides virus infections there is also a worldwide dissemination of multiresistant bacterial strains. Therefore, there is an urgent need for rapid non-invasive screening methods. There is an unmet need to cut infection chains by early detection of infected subjects.
Conventional cultural methods require minimally invasive or invasive samples and are not feasible for mass screening due to a long analysis time.
In classical Greece, physicians also used their olfactory senses to differentiate infections from other diseases. These characteristic odors are volatile organic compounds (VOC) produced by the metabolism of an organism. Animals with a much better olfactory sense have been trained to detect different germs by their odors. However, the use of sniffing animals is not practicable in clinical settings. A technical detection of VOCs is therefore desirable.
One technical approach for the differentiation of VOCs is ion mobility spectrometry coupled with a multicapillary gas chromatography (MCC-IMS). It could be shown that this method is a rapid, sensitive, and reliable method.
It is known that various bacteria produce VOCs by their metabolism and therefore different specific smells. By the MCC-IMS method, different bacterial species could be distinguished based on the VOCs after an incubation time as short as 90 minutes in vitro. Comparable to biochemical series of tests a decision tree for the classification of bacteria could be implemented. In contrast to bacteria viruses have no own metabolism and thus are dependent on the host metabolism. Cell cultures were used to determine whether virus-infected cells release other VOCs than non-infected cells. It could be shown here that cell cultures infected with respiratory syncytial virus (RSV) differ from non-infected cell cultures in VOC profiles. 
Unlike in cell cultures, in the intact organism changes in VOC profiles are not only dependent on cell metabolism alterations but also in defense mechanisms.
To investigate infection induced VOC changes in intact organisms, nasal breath of patients with and without influenza A infection as well as of patients with suspected SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2) infection were analyzed. It was proven that a breath analysis using a MCC-IMS is able to distinguish infected patients from non-infected as well as SARS-CoV-2 from influenza A infections.
In summary, MCC-IMS delivers encouraging results in the rapid, non-invasive detection of infections in vitro as well as in vivo.
KW  - volatile organische Substanzen (VOCs)
KW  - Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS)
KW  - nichtinvasive Diagnostik
KW  - bakterielle Infektionen
KW  - virale Infektionen
KW  - volatile organic compounds (VOCs)
KW  - ion mobility spectrometry (IMS)
KW  - non-invasive Diagnostics
KW  - bacterial infections
KW  - viral infections
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575441
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steinhauser, Dirk
T1  - Inferring hypotheses from complex profile data - by means of CSB.DB, a comprehensive systems-biology database
T1  - Generierung von Hypothesen aus komplexen Profildaten mittels CSB.DB, a comprehensive systems-biology database
N2  - The past decades are characterized by various efforts to provide complete sequence information of genomes regarding various organisms. The availability of full genome data triggered the development of multiplex high-throughput assays allowing simultaneous measurement of transcripts, proteins and metabolites. With genome information and profiling technologies now in hand a highly parallel experimental biology is offering opportunities to explore and discover novel principles governing biological systems. Understanding biological complexity through modelling cellular systems represents the driving force which today allows shifting from a component-centric focus to integrative and systems level investigations. The emerging field of systems biology integrates discovery and hypothesis-driven science to provide comprehensive knowledge via computational models of biological systems. Within the context of evolving systems biology, investigations were made in large-scale computational analyses on transcript co-response data through selected prokaryotic and plant model organisms. CSB.DB - a comprehensive systems-biology database - (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/) was initiated to provide public and open access to the results of biostatistical analyses in conjunction with additional biological knowledge. The database tool CSB.DB enables potential users to infer hypothesis about functional interrelation of genes of interest and may serve as future basis for more sophisticated means of elucidating gene function. The co-response concept and the CSB.DB database tool were successfully applied to predict operons in Escherichia coli by using the chromosomal distance and transcriptional co-responses. Moreover, examples were shown which indicate that transcriptional co-response analysis allows identification of differential promoter activities under different experimental conditions. The co-response concept was successfully transferred to complex organisms with the focus on the eukaryotic plant model organism Arabidopsis thaliana. The investigations made enabled the discovery of novel genes regarding particular physiological processes and beyond, allowed annotation of gene functions which cannot be accessed by sequence homology. GMD - the Golm Metabolome Database - was initiated and implemented in CSB.DB to integrated metabolite information and metabolite profiles. This novel module will allow addressing complex biological questions towards transcriptional interrelation and extent the recent systems level quest towards phenotyping.
N2  - Die vergangenen Jahrzehnte waren gekennzeichnet durch umfangreiche Bemühungen, die Genomsequenz verschiedener Organismen vollständig zu entschlüsseln. Die Verfügbarkeit vollständiger genomischer Daten löste die Entwicklung von modernen Hochdurchsatzmethoden aus, welche die gleichzeitige Messung von verschiedenen Transkripten, Proteinen und Metaboliten erlauben. Mittels genomischer Informationen und Hochdurchsatztechnologien erlaubt eine hoch parallelisierte experimentelle Biologie die Erforschung von Gesetzmäßigkeiten, welchen biologischen Systemen zugrunde liegen. Das Verständnis biologischer Komplexität durch Modellierung zellulärer Systeme repräsentiert die treibende Kraft, welche heutzutage den Element-zentrierten Focus auf integrative und ganzheitliche Untersuchungen lenkt. Das sich entwickelnde Feld der Systembiologie integriert Entdeckungs- und Hypothesen-getriebene Wissenschaft um ein umfangreiches Wissen durch Computermodelle biologischer Systeme bereitzustellen. Im Kontext der sich neu entwickelnden Systembiologie investierte ich in umfangreiche Computeranalysen zur Transkript Co-Response bezüglich ausgewählter prokaryotischer und pflanzlicher eukaryotischer Organismen. CSB.DB - a comprehensive systems-biology database - (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/) wurde initiiert, um freien Zugang zu den biostatistischen Ergebnissen als auch zu weiterem biologischem Wissen zu bieten. Die Datenbank CSB.DB ermöglicht potentiellen Anwendern die Hypothesengenerierung bezüglich der funktionalen Wechselbeziehungen von Genen von Interesse und kann zukünftig die Grundlage für einen fortgeschrittenen Weg der Zuordnung von Genfunktionen darstellen. Unter Verwendung chromosomaler Distanzen und Transkript Co-Response konnte das Konzept und CSB.DB angewandt werden, um bakterielle Operons in Escherichia coli erfolgreich vorherzusagen. Darüber hinaus werden Beispiele gezeigt, die andeuten, dass die Transkript Co-Response Analyse eine Identifizierung differentieller Promoteraktivität in verschiedenen experimentellen Bedingungen ermöglicht. Das Co-Response Konzept wurde, mit dem Schwerpunkt auf die eukaryotische Modellpflanze Arabidopsis thaliana, erfolgreich auf komplexere Organismen angewandt. Die durchgeführten Untersuchungen ermöglichten die Identifizierung neuer Gene hinsichtlich physiologischer Prozesse und darüber hinaus die Zuweisung von Genfunktionen, welche nicht durch Sequenzhomologie ermöglicht werden kann. GMD - The Golm Metabolome Database - wurde initiiert und in CSB.DB implementiert, um Metaboliten Informationen als auch Metaboliten Profile zu integrieren. Dieses neue Modul ermöglicht die Ausrichtung auf komplexere biologische Fragen und erweitert die derzeitige systembiologische Fragestellung in Richtung Phänotypus-Zuordnung.
T2  - Inferring hypotheses from complex profile data - by means of CSB.DB, a comprehensive systems-biology database
KW  - Datenbank
KW  - Korrelation
KW  - Korrelationsanalyse
KW  - Escherichia coli
KW  - Saccharomyces cerevisiae
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Operon
KW  - Brassinosteroide
KW  - Transkript
KW  - database
KW  - correlation
KW  - co-response
KW  - metabolite
KW  - transcript
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2467
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TY  - THES
A1  - Steffen, Jenny
T1  - Transkription von Markergenen an immbolisierten Nukleinsäuren
T1  - Transcription of reportegenes with immobilized nucleic acids
N2  - Die Etablierung der Transkription von kompletten Genen auf planaren Oberflächen soll eine Verbindung zwischen der Mikroarraytechnologie und der Transkriptomforschung herstellen. Darüber hinaus kann mit diesem Verfahren ein Brückenschlag zwischen der Synthese der Gene und ihrer kodierenden Proteine auf einer Oberfläche erfolgen. Alle transkribierten RNAs wurden mittels RT-PCR in cDNA umgeschrieben und in einer genspezifischen PCR amplifiziert. Die PCR-Produkte wurden hierfür entweder per Hand oder maschinell auf die Oberfläche transferiert. Über eine Oberflächen-PCR war es möglich, die Gensequenz des Reportergens EGFP direkt auf der Oberfläche zu synthetisieren und anschließend zu transkribieren. Somit war eine Transkription mit weniger als 1 ng an Matrize möglich. Der Vorteil einer Oberflächen-Transkription gegenüber der in Lösung liegt in der mehrfachen Verwendung der immobilisierten Matrize, wie sie in dieser Arbeit dreimal erfolgreich absolviert wurde. Die Oberflächen-Translation des EGFP-Gens konnte ebenfalls zweimal an einer immobilisierten Matrize gezeigt werden, wobei Zweifel über eine echte Festphasen-Translation nicht ausgeräumt werden konnten. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Transkription und Translation von immobilisierten Gensequenzen auf planaren Oberflächen möglich ist, wofür die linearen Matrizen direkt auf der Oberfläche synthetisiert werden können.
N2  - In vitro mRNA synthesis and in vitro translation are of great interest for biochemical and molecular biological basic research, and also for biotechnology and other applications. Solid phase coupled synthesis is very useful for the development of high throughput procedures to elucidate and manipulate gene products. An artificial gene was constructed combining the T7 promoter and terminator with the EGFP-gene from the plasmid pEGFP. The functionality of the construct was shown by in vitro translation. The gene-construct was immobilised on a planar glass surface. The transcription was performed on the immobilised gene and mRNA was determined by RT-PCR. These results demonstrate that the complete gene is transcribed from the covalently coupled PCR product. Thus, it is possible to transfer a standard transcription technique onto an On-chip reaction. The direct PCR amplification of transcriptionable sequences of EGFP bound on surfaces was successfully used for solid phase transcription. Successful transcriptions were also performed at least to 1 ng of used template. The RNA synthesis was also successful in the second and third reaction on the same slide as observed by signals after RT-PCR. It seems to be possible to transfer the translation of reportergenes in a solid phase coupled synthesis, too. For further integration of cellular procedures on a chip, the cell-free RNA synthesis on immobilised templates is an crucial technical hurdle to conquer. Major advantages of using immobilised templates for transcription are, low risk of contamination occuring in solution, and no necessity of further purification steps for downstream applications of the RNA product.
KW  - Immobilisierung
KW  - Transkription <Genetik>
KW  - Translation <Genetik>
KW  - Bakteriophage T7
KW  - Lab on chip
KW  - EGFP
KW  - Stammschleife
KW  - Lab on chip
KW  - transcription
KW  - translation
KW  - EGFP
KW  - stem loop
KW  - immobilization
KW  - T7
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10282
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TY  - THES
A1  - Stark, Markus
T1  - Implications of local and regional processes on the stability of metacommunities in diverse ecosystems
T1  - Auswirkungen lokaler und regionaler Prozesse auf die Stabilität von Metagemeinschaften in diversen Ökosystemen
N2  - Anthropogenic activities such as continuous landscape changes threaten biodiversity at both local and regional scales. Metacommunity models attempt to combine these two scales and continuously contribute to a better mechanistic understanding of how spatial processes and constraints, such as fragmentation, affect biodiversity. There is a strong consensus that such structural changes of the landscape tend to negatively effect the stability of metacommunities. However, in particular the interplay of complex trophic communities and landscape structure is not yet fully understood.

In this present dissertation, a metacommunity approach is used based on a dynamic and spatially explicit model that integrates population dynamics at the local scale and dispersal dynamics at the regional scale. This approach allows the assessment of complex spatial landscape components such as habitat clustering on complex species communities, as well as  the analysis of population dynamics of a single species. In addition to the impact of a fixed landscape structure, periodic environmental disturbances are also considered, where a periodical change of habitat availability, temporally alters landscape structure, such as the seasonal drying of a water body. 

On the local scale, the model results suggest that large-bodied animal species, such as predator species at high trophic positions, are more prone to extinction in a state of large patch isolation than smaller species at lower trophic levels. 

Increased metabolic losses for species with a lower body mass lead to increased energy limitation for species on higher trophic levels and serves as an explanation for a predominant loss of these species. This effect is particularly pronounced for food webs, where species are more sensitive to increased metabolic losses through dispersal and a change in landscape structure. 

In addition to the impact of species composition in a food web for diversity, the strength of local foraging interactions likewise affect the synchronization of population dynamics. A reduced predation pressure leads to more asynchronous population dynamics, beneficial for the stability of population dynamics as it reduces the risk of correlated extinction events among habitats. On the regional scale, two landscape aspects, which are the mean patch isolation and the formation of local clusters of two patches, promote an increase in $\beta$-diversity. Yet, the individual composition and robustness of the local species community equally explain a large proportion of the observed diversity patterns. 

A combination of periodic environmental disturbance and patch isolation has a particular impact on population dynamics of a species. While the periodic disturbance has a synchronizing effect, it can even superimpose emerging asynchronous dynamics in a state of large patch isolation and unifies trends in synchronization between different species communities. 

In summary, the findings underline a large local impact of species composition and interactions on local diversity patterns of a metacommunity. In comparison, landscape structures such as fragmentation have a negligible effect on local diversity patterns, but increase their impact for regional diversity patterns. In contrast, at the level of population dynamics, regional characteristics such as periodic environmental disturbance and patch isolation have a particularly strong impact and contribute substantially to the understanding of the stability of population dynamics in a metacommunity. These studies demonstrate once again the complexity of our ecosystems and the need for further analysis for a better understanding of our surrounding environment and more targeted conservation of biodiversity.
N2  - Seit geraumer Zeit prägt der Mensch seine Umwelt und greift in die Struktur von Landschaften ein. In den letzten Jahrzehnten wurde die Landschaftsnutzung intensiviert und Ökosyteme weltweit anthropogen überprägt. Solche Veränderungen der Landschaft sind mit Verantwortlich für den derzeit rapiden Verlust an Biodiversität auf lokaler wie regionaler Ebene. 

Metagemeinschafts-Modelle versuchen diese beiden Ebenen zu kombinieren und kontinuierlich zu einem besseren mechanistischen Verständnis beizutragen, wie räumliche Prozesse, so z. B. Fragmentierung von Biotopen, die Biodiversität  beeinflussen. Es besteht dabei ein großer Konsens, dass sich solche Änderungen der Landschaft tendenziell negativ auf die Stabilität von Metagemeinschaften auswirken. Jedoch ist insbesondere das Zusammenspiel von komplexen trophischen Gemeinschaften und räumlichen Prozessen längst nicht vollständig verstanden. 

In der vorliegenden Arbeit wird ein Metagemeinschafts-Modellansatz verwendet, der auf einem dynamischen und räumlich expliziten Modell basiert, das Populationsdynamiken auf der lokalen Ebene und Migrationsdynamiken auf der regionalen Ebene integriert. Dieser Ansatz erlaubt die Bewertung komplexer räumlicher Landschaftskomponenten wie z. B. die Auswirkung von Habitatsclustern auf Populationsdynamiken einzelner Arten bis hin zur Diversität komplexer Artengemeinschaften. Zusätzlich zum Einfluss von einzelner konstanter räumlicher Strukturen werden auch periodische Umweltstörungen berücksichtigt, bei der ein Wechsel der Habitatverfügbarkeit, die räumliche Struktur der Landschaft temporär verändert, wie z. B. die Austrocknung eines Gewässers.

Auf der lokalen Ebene deuten die Modellergebnisse darauf hin, dass Tierarten mit einer großen Körpermasse, wie z. B. Raubtierarten in höheren trophischen Positionen, in einem Zustand großer Habitat-Isolation stärker vom Aussterben bedroht sind, als Arten mit geringer Körpermasse auf unteren trophischen Ebenen. Arten mit einer geringerer Körpermasse haben einen erhöhten metabolischen Verlust, der zu einer Energielimitierung auf den höheren trophischen Ebenen führt. Dies kann eine Erklärung dafür sein, dass  Arten mit großer Körpermasse ein höheres Aussterberisiko in den Modellergebnissen aufweisen. Dieser Effekt ist vor allem in Nahrungsnetzen ausgeprägt, bei denen Arten empfindlicher auf metabolische Verluste durch Migration und eine Veränderung der Habitat Struktur reagieren. Neben der Bedeutung der Zusammensetzung der Arten eines Nahrungsnetzes für die Diversität, haben lokale Fraßinteraktionen ebenfalls Auswirkungen auf die Synchronisierung von Populationsdynamiken. Ein geringerer Fraßdruck führt zu mehr asynchronen Populationsdynamiken, die diese Dynamiken einer Metapopulation stabilisiert, sodass das Risiko von Aussterbeereignissen einzelner Arten sinkt. 

Auf der regionalen Ebene führen als landschaftliche Aspekte, neben der mittleren Habitat-Isolation, ebenso die Bildung von lokalen Clustern aus zwei Habitaten zu einer Zunahme der Beta-Diversität. Jedoch erklären die individuelle Zusammensetzung und Robustheit der lokalen Arten- gemeinschaft gleichermaßen einen großen Anteil der zu beobachteten Diversitätsmuster. Eine Kombination aus periodischen Umweltstörungen und Habitat-Isolation hat insbesondere einen Einfluss auf die Populationsdynamiken einzelner Arten. Populationsdynamiken können durch periodische Umweltstörungen synchronisiert werden, und dabei die sonst auftauchende asynchronen Populationsdynamiken bei einer größeren Habitat-Isolation überlagern. Die dadurch vereinheitlichen Trends in der Synchronisierung erhöhen das Risiko korrelierter Aussterbeereignisse einer Art. 

Zusammenfassend lassen sich zwei große Einflussfaktoren auf die lokalen Diversitätsmuster der Metagemeinschaften feststellen. Zum Einen die lokale Artenzusammensetzung und zum Anderen die Interaktionen der Arten. Im Vergleich dazu, haben räumliche Komponenten wie die Fragmentierung der Landschaft einen vernachlässigbaren Einfluss auf die lokalen Diversitätsmuster und gewinnen erst für regionale Diversitätsmuster an Gewicht. Im Gegensatz dazu spielen auf der Ebene der Populationsdynamik besonders regionale Eigenschaften, wie die periodische Umweltstörung und Habitat-Isolation, eine Rolle und tragen wesentlich zum Verständnis der Stabilität von Populationsdynamiken der Metagemeinschaft bei.
Diese Untersuchungen zeigen einmal mehr die Komplexität unserer Ökosysteme und die Notwendigkeit weiterer Analysen für ein besseres Verständnis unserer umgebenen Umwelt und gezielteren Schutz der Biodiversität.
KW  - Fragmentation
KW  - Ecology
KW  - Food Web
KW  - Metacommunity
KW  - Disturbance
KW  - Störungen
KW  - Ökologie
KW  - Nahrungsnetze
KW  - Fragmentierung
KW  - Metagemeinschaften
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526399
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stanke, Sandra
T1  - AC electrokinetic immobilization of influenza viruses and antibodies on nanoelectrode arrays for on-chip immunoassays
T1  - AC elektrokinetische Immobilisierung von Influenzaviren und Antikörpern auf Nanoelektrodenarrays für on-Chip Immunoassays
N2  - In the present thesis, AC electrokinetic forces, like dielectrophoresis and AC electroosmosis, were demonstrated as a simple and fast method to functionalize the surface of nanoelectrodes with submicrometer sized biological objects. These nanoelectrodes have a cylindrical shape with a diameter of 500 nm arranged in an array of 6256 electrodes. Due to its medical relevance influenza virus as well as anti-influenza antibodies were chosen as a model organism. Common methods to bring antibodies or proteins to biosensor surfaces are complex and time-consuming. In the present work, it was demonstrated that by applying AC electric fields influenza viruses and antibodies can be immobilized onto the nanoelectrodes within seconds without any prior chemical modification of neither the surface nor the immobilized biological object. The distribution of these immobilized objects is not uniform over the entire array, it exhibits a decreasing gradient from the outer row to the inner ones. Different causes for this gradient have been discussed, such as the vortex-shaped fluid motion above the nanoelectrodes generated by, among others, electrothermal fluid flow. It was demonstrated that parts of the accumulated material are permanently immobilized to the electrodes. This is a unique characteristic of the presented system since in the literature the AC electrokinetic immobilization is almost entirely presented as a method just for temporary immobilization. The spatial distribution of the immobilized viral material or the anti-influenza antibodies at the electrodes was observed by either the combination of fluorescence microscopy and deconvolution or by super-resolution microscopy (STED). On-chip immunoassays were performed to examine the suitability of the functionalized electrodes as a potential affinity-based biosensor. Two approaches were pursued: A) the influenza virus as the bio-receptor or B) the influenza virus as the analyte. Different sources of error were eliminated by ELISA and passivation experiments. Hence, the activity of the immobilized object was inspected by incubation with the analyte. This resulted in the successful detection of anti-influenza antibodies by the immobilized viral material. On the other hand, a detection of influenza virus particles by the immobilized anti-influenza antibodies was not possible. The latter might be due to lost activity or wrong orientation of the antibodies. Thus, further examinations on the activity of by AC electric fields immobilized antibodies should follow. When combined with microfluidics and an electrical read-out system, the functionalized chips possess the potential to serve as a rapid, portable, and cost-effective point-of-care (POC) device. This device can be utilized as a basis for diverse applications in diagnosing and treating influenza, as well as various other pathogens.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden AC elektrokinetische Kräfte, wie die Dielektrophorese und die AC Elektroosmose, als einfache und schnelle Methode zur Funktionalisierung der Oberfläche von Nanoelektroden mit biologischen Objekten in Submikrometergröße demonstriert. Diese Nanoelektroden haben eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 500 nm und sind in einem Array aus 6256 Elektroden angeordnet. Aufgrund ihrer medizinischen Relevanz wurden Influenzaviren sowie anti-Influenza Antikörper als Modellorganismus ausgewählt. Gängige Methoden, um Antikörper oder Proteine auf Biosensoroberflächen zu bringen, sind komplex und zeitaufwändig. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass durch die Anwendung elektrischer Wechselfelder Influenzaviren und Antikörper innerhalb von Sekunden auf den Nanoelektroden immobilisiert werden können, ohne dass zuvor eine chemische Modifikation der Oberfläche noch des immobilisierten biologischen Objekts erforderlich ist. Die Verteilung dieser immobilisierten Objekte ist über das gesamte Array ungleichmäßig. Es kommt zur Ausbildung eines Gradienten, welcher von der äußeren zur den inneren Reihen hin abnimmt. Verschiedene Ursachen für diesen Gradienten wurden diskutiert, beispielsweise der Vortex-förmige Flüssigkeitsstrom über den Nanoelektroden, der unter anderem durch elektrothermische Flüssigkeitsbewegung erzeugt wird. Es wurde gezeigt, dass Teile des akkumulierten Materials dauerhaft an den Elektroden immobilisiert sind. Dies ist ein Alleinstellungsmerkmal des vorgestellten Systems, da in der Literatur die AC elektrokinetische Immobilisierung fast ausschließlich als Methode nur zur temporären Immobilisierung dargestellt wird. Die räumliche Verteilung des immobilisierten Virusmaterials bzw. der anti-Influenza Antikörper an den Elektroden wurde entweder durch die Kombination aus Fluoreszenzmikroskopie und Dekonvolution oder durch super-resolution Mikroskopie (STED) betrachtet. Es wurden On-Chip-Immunoassays durchgeführt, um die Eignung der funktionalisierten Elektroden für einen potenziellen affinitätsbasierten Biosensor zu untersuchen. Dabei wurden zwei Ansätze verfolgt: A) Influenzaviren als Biorezeptor oder B) Influenzavirus als Analyt. Verschiedene Fehlerquellen wurden mittels ELISA und Passivierungsexperimente eliminiert. Infolgedessen wurde die Aktivität der immobilisierten Objekte durch Inkubation mit dem Analyten überprüft. Dies führte zum erfolgreichen Nachweis von anti-Influenza Antikörpern mittels immobilisiertem Virusmaterial. Andererseits war ein Nachweis von Influenzaviruspartikeln durch die immobilisierten anti-Influenza Antikörper nicht möglich. Letzteres könnte auf einen Aktivitätsverlust oder eine falsche Ausrichtung der Antikörper zurückzuführen sein. Daher sollten weitere Untersuchungen zur Aktivität von durch elektrische Wechselfelder immobilisierte Antikörper folgen. In Kombination mit Mikrofluidik und einem elektrischen Auslesesystem besitzen die funktionalisierten Chips das Potenzial, als schnelle, tragbare und kostengünstige Point-of-Care-Einheit (POC) zu dienen. Dieses Einheit kann als Grundlage für vielfältige Anwendungen bei der Diagnose und Behandlung von Influenza und verschiedenen anderen Krankheitserregern genutzt werden.
KW  - AC electrokinetics
KW  - AC Elektrokinetik
KW  - AC electroosmosis
KW  - AC Elektroosmosis
KW  - dielectrophoresis
KW  - Dielektrophorese
KW  - virus
KW  - Virus
KW  - influenza
KW  - Influenza
KW  - antibody
KW  - Antikörper
KW  - nanoelectrodes
KW  - Nanoelektroden
KW  - lab-on-chip
KW  - lab-on-chip
KW  - LOC
KW  - LOC
KW  - point-of-care
KW  - point-of-care
KW  - POC
KW  - POC
KW  - immunoassay
KW  - Immunoassay
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617165
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stange, Maike
T1  - A study on Coronin-A and Aip1 function in motility of Dictyostelium discoideum and on Aip1 interchangeability between Dictyostelium discoideum and Arabidopsis thaliana
T1  - Studie über die Funktion von Coronin-A und Aip1 bei der Motilität von Dictyostelium discoideum und zur Aip1-Austauschbarkeit zwischen Dictyostelium discoideum und Arabidopsis thaliana
N2  - Actin is one of the most highly conserved proteins in eukaryotes and distinct actin-related proteins with filament-forming properties are even found in prokaryotes. Due to these commonalities, actin-modulating proteins of many species share similar structural properties and proposed functions. The polymerization and depolymerization of actin are critical processes for a cell as they can contribute to shape changes to adapt to its environment and to move and distribute nutrients and cellular components within the cell. However, to what extent functions of actin-binding proteins are conserved between distantly related species, has only been addressed in a few cases. In this work, functions of Coronin-A (CorA) and Actin-interacting protein 1 (Aip1), two proteins involved in actin dynamics, were characterized. In addition, the interchangeability and function of Aip1 were investigated in two phylogenetically distant model organisms. The flowering plant Arabidopsis thaliana (encoding two homologs, AIP1-1 and AIP1-2) and in the amoeba Dictyostelium discoideum (encoding one homolog, DdAip1) were chosen because the functions of their actin cytoskeletons may differ in many aspects. Functional analyses between species were conducted for AIP1 homologs as flowering plants do not harbor a CorA gene. 
In the first part of the study, the effect of four different mutation methods on the function of Coronin-A protein and the resulting phenotype in D. discoideum was revealed in two genetic knockouts, one RNAi knockdown and a sudden loss-of-function mutant created by chemical-induced dislocation (CID). The advantages and disadvantages of the different mutation methods on the motility, appearance and development of the amoebae were investigated, and the results showed that not all observed properties were affected with the same intensity. Remarkably, a new combination of Selection-Linked Integration and CID could be established. 
In the second and third parts of the thesis, the exchange of Aip1 between plant and amoeba was carried out. For A. thaliana, the two homologs (AIP1-1 and AIP1-2) were analyzed for functionality as well as in D. discoideum. In the Aip1-deficient amoeba, rescue with AIP1-1 was more effective than with AIP1-2. The main results in the plant showed that in the aip1-2 mutant background, reintroduced AIP1-2 displayed the most efficient rescue and A. thaliana AIP1-1 rescued better than DdAip1. The choice of the tagging site was important for the function of Aip1 as steric hindrance is a problem. The DdAip1 was less effective when tagged at the C-terminus, while the plant AIP1s showed mixed results depending on the tag position. In conclusion, the foreign proteins partially rescued phenotypes of mutant plants and mutant amoebae, despite the organisms only being very distantly related in evolutionary terms.
N2  - Actin ist eines der am stärksten konservierten Proteine in Eukaryoten und sogar Prokaryoten weisen Aktin-ähnliche Proteine mit filamentbildenden Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Gemeinsamkeiten teilen Aktin-modulierte Proteine vieler Arten ähnliche strukturelle Eigenschaften und vermutlich auch Funktionen. Die Polymerisierung und Depolymerisation von Aktin sind kritische Prozesse für eine Zelle, da sie zu Zellformänderungen beitragen können, um sich an die Umgebung anzupassen und Nährstoffe sowie zelluläre Komponenten innerhalb der Zelle zu bewegen und zu verteilen. Inwieweit die Funktionen von Aktin-bindenden Proteinen zwischen entfernt verwandten Arten funktionell konserviert sind, wurde jedoch nur in wenigen Fällen untersucht. In dieser Arbeit wurden Funktionen von Coronin-A (CorA) und Actin-interagierendem Protein 1 (AIP1), zweier an der Aktindynamik beteiligter Proteine, charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Austauschbarkeit und Funktion von AIP1 in zwei phylogenetisch entfernten Modellorganismen untersucht. Die Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (kodiert für zwei Homologe: AIP1-1 und AIP1-2) und die Amöbe Dictyostelium discoideum (kodiert für ein Homolog: DdAip1) wurden ausgewählt, weil die Funktionen ihrer Aktin-Zytoskelette in mehreren Aspekten verschieden sein könnten. Funktionelle Analysen zwischen Arten wurden für AIP1-Homologe durchgeführt, da Blütenpflanzen kein CorA Gen tragen. 
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von vier verschiedenen Mutationsmethoden auf die Funktion des CorA-Proteins und des resultierenden Phänotyps in D. discoideum in zwei genetischen Knockouts, einem RNAi Knockdown und einem durch chemisch induzierte Delokalisierung (CID) erzeugten Mutanten geprüft. Die Vor- und Nachteile der Methoden zur Motilität, des Aussehens und der Entwicklung der Amöben wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass nicht alle beobachteten Eigenschaften mit der gleichen Intensität beeinflusst wurden. Hierbei wurde eine neue Methodenkombination aus selektionsgebundener Integration und CID etabliert. 
Im zweiten und im dritten Teil der Arbeit wurde der Austausch von AIP1 zwischen Pflanze und Amöben durchgeführt. Die zwei A. thaliana-Homologe AIP1-1 und AIP1-2 wurden auf Funktionalität in D. discoideum geprüft. In Aip1-defizienten Amöben war die Rettung mit AIP1-1 effektiver als bei AIP1-2. Die Hauptergebnisse der Arbeit wiesen darauf hin, dass AIP1-2 im aip1.2-1 act7 Mutantenhintergrund die effizienteste Rettung zeigte, während A. thaliana AIP1-1 effizienter rettete als DdAip1. Die Auswahl der Tagging-Site war für die AIP1-Funktion bedeutend, da sterische Hinderung eine Rolle spielen könnte. DdAip1 war weniger effektiv, wenn es am C-Terminus fusioniert war, während die Proteinfusionen der A. thaliana AIP1s je nach Position der „tags“ unterschiedliche Ergebnisse zeigten. Zusammenfassend retteten die fremden Proteine teilweise Phänotypen von mutierten Pflanzen und mutierten Amöben, obwohl die Organismen evolutionär weit entfernt verwandt sind.
KW  - actin
KW  - cell motility
KW  - plant growth
KW  - selection-linked integration
KW  - chemically induced dislocation
KW  - interspecies interchange
KW  - Aktin
KW  - Zellmotilität
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Selection-Linked Integration
KW  - chemisch-induzierte Dislokation
KW  - Austausch zwischen zwei Spezies
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628569
ER  - 
TY  - THES
A1  - Spinti, Daniela
T1  - Proteasomal protein turnover during defense priming in Arabidopsis
T1  - Proteasomaler Proteinabbau während der erworbenen Immunantwort in Arabidopsis
N2  - The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is a cellular cascade involving three enzymatic steps for protein ubiquitination to target them to the 26S proteasome for proteolytic degradation. Several components of the UPS have been shown to be central for regulation of defense responses during infections with phytopathogenic bacteria. Upon recognition of the pathogen, local defense is induced which also primes the plant to acquire systemic resistance (SAR) for enhanced immune responses upon challenging infections. Here, ubiquitinated proteins were shown to accumulate locally and systemically during infections with Psm and after treatment with the SAR-inducing metabolites salicylic acid (SA) and pipecolic acid (Pip). The role of the 26S proteasome in local defense has been described in several studies, but the potential role during SAR remains elusive and was therefore investigated in this project by characterizing the Arabidopsis proteasome mutants rpt2a-2 and rpn12a-1 during priming and infections with Pseudomonas. Bacterial replication assays reveal decreased basal and systemic immunity in both mutants which was verified on molecular level showing impaired activation of defense- and SAR-genes. rpt2a-2 and rpn12a-1 accumulate wild type like levels of camalexin but less SA. Endogenous SA treatment restores local PR gene expression but does not rescue the SAR-phenotype. An RNAseq experiment of Col-0 and rpt2a-2 reveal weak or absent induction of defense genes in the proteasome mutant during priming. Thus, a functional 26S proteasome was found to be required for induction of SAR while compensatory mechanisms can still be initiated. 
E3-ubiquitin ligases conduct the last step of substrate ubiquitination and thereby convey specificity to proteasomal protein turnover. Using RNAseq, 11 E3-ligases were found to be differentially expressed during priming in Col-0 of which plant U-box 54 (PUB54) and ariadne 12 (ARI12) were further investigated to gain deeper understanding of their potential role during priming. 
PUB54 was shown to be expressed during priming and /or triggering with virulent Pseudomonas. pub54 I and pub54-II mutants display local and systemic defense comparable to Col-0. The heavy-metal associated protein 35 (HMP35) was identified as potential substrate of PUB54 in yeast which was verified in vitro and in vivo. PUB54 was shown to be an active E3-ligase exhibiting auto-ubiquitination activity and performing ubiquitination of HMP35. Proteasomal turnover of HMP35 was observed indicating that PUB54 targets HMP35 for ubiquitination and subsequent proteasomal degradation. Furthermore, hmp35-I benefits from increased resistance in bacterial replication assays. Thus, HMP35 is potentially a negative regulator of defense which is targeted and ubiquitinated by PUB54 to regulate downstream defense signaling. ARI12 is transcriptionally activated during priming or triggering and hyperinduced during priming and triggering. Gene expression is not inducible by the defense related hormone salicylic acid (SA) and is dampened in npr1 and fmo1 mutants consequently depending on functional SA- and Pip-pathways, respectively. ARI12 accumulates systemically after priming with SA, Pip or Pseudomonas. ari12 mutants are not altered in resistance but stable overexpression leads to increased resistance in local and systemic tissue. During priming and triggering, unbalanced ARI12 levels (i.e. knock out or overexpression) leads to enhanced FMO1 activation indicating a role of ARI12 in Pip-mediated SAR. ARI12 was shown to be an active E3-ligase with auto-ubiquitination activity likely required for activation with an identified ubiquitination site at K474. Mass spectrometrically identified potential substrates were not verified by additional experiments yet but suggest involvement of ARI12 in regulation of ROS in turn regulating Pip-dependent SAR pathways.
Thus, data from this project provide strong indications about the involvement of the 26S proteasome in SAR and identified a central role of the two so far barely described E3-ubiquitin ligases PUB54 and ARI12 as novel components of plant defense.
N2  - Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist ein in drei Schritten enzymatisch ablaufender Prozess zur Ubiquitinierung von Proteinen, wodurch diese zum proteolytischen Abbau an das 26S Proteasom geschickt werden. Verschiedene Komponenten des UPS sind zentral an der Regulation von Immunantworten während der Infektion mit phytopathogenen Bakterien beteiligt. Beim Erkennen einer Infektion werden lokale Abwehrreaktionen initiiert, wobei auch mobile Signale in distalen Pflanzenteilen verteilt werden, welche die Pflanze primen (vorbereiten). Mit dem Erwerb der systemischen Resistenz (SAR) kann die Immunantwort bei einer zweiten Infektion verstärkt aktiviert werden. Es wurde hier gezeigt, dass ubiquitinierte Proteine in lokalem und systemischem Gewebe akkumulieren, wenn Arabidopsis mit Pseudomonas infiziert oder mit SAR-induzierender Salizylsäure (SA) oder Pipecolinsäure (Pip) behandelt wird. Die genaue Rolle des 26S Proteasoms in der systemischen Immunantwort ist bisher unklar und wurde daher in diesem Projekt mithilfe der Charakterisierung der Proteasommutanten rpt2a-2 und rpn12a-1 während des Primings genauer untersucht. In Bakterienwachstumsversuchen zeigte sich eine lokal und systemisch erhöhte Suszeptibilität der Proteasommutanten, welche auf molekularer Ebene durch ausbleibende Aktivierung von Abwehrgenen verifiziert wurde. Beide Mutanten akkumulieren ähnliche Mengen Camalexin während einer Infektion, sind aber in der Biosynthese von SA gestört. Die endogene Applikation von SA löst lokale PR-Gen Expression aus, kann aber nicht das SAR-Defizit ausgleichen. In einem RNAseq Experiment wurde das Transkriptom von Col-0 und rpt2a-2 während des Primings analysiert und zeigte, dass zentrale Abwehr- und SAR-Gene nicht oder nur schwach induziert werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass ein funktionales 26S Proteasom zur vollen Induktion aller Teile der lokalen und systemischen Immunantwort benötigt wird, während ausgleichende Prozesse weiterhin aktiviert werden können.
E3-Ubiquitin Ligasen führen den letzten Schritt der Substratubiquitinierung durch und vermitteln dadurch die Spezifität des proteasomalen Proteinabbaus. Mithilfe des RNAseq Experiments konnten 11 differentiell exprimierte Transkripte, annotiert als E3-Ligasen, identifiziert werden. Von diesen wurden PLANT U-BOX 54 (PUB54) und ARIADNE 12 (ARI12) weiter analysiert, um ein tiefergehendes Verständnis ihres Einflusses auf die systemische Immunantwort zu erhalten. PUB54 wird während des Primings und bei Infektionen mit virulenten Pseudomonas exprimiert. Die pub54 I und pub54-II Mutanten zeigen lokal und systemisch eine wildtyp-ähnliche Resistenz. Das „heavy-metal associated protein 35” (HMP35) wurde in Hefe als potentielles Substrat von PUB54 identifiziert und in vitro und in vivo verifiziert. PUB54 ist eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität, welche HMP35 ubiquitiniert. HMP35 wird außerdem in planta proteasomal abgebaut, wodurch eine Ubiquitinierung von HMP35 durch PUB54 zum proteasomalen Abbau nahegelegt wird. Des Weiteren wurde gezeigt, dass hmp35 Mutanten von erhöhter Resistenz profitieren. HMP35 agiert möglicherweise als negativer Regulator der Immunantwort und wird zur Aktivierung von Abwehrreaktionen durch PUB54 für den proteasomalen Abbau markiert.
ARI12 wird nach Priming oder Infektion mit Pseudomonas transkriptionell aktiviert und nach sekundärer Infektion hyperinduziert, wobei die Behandlung mit SA keine Expression induziert. ARI12 ist jedoch reduziert in npr1 und fmo1 Mutanten, wodurch eine Abhängigkeit der Genexpression von funktionalen SA- und Pip-Signalwegen angedeutet wird. ARI12 akkumuliert in systemischem Gewebe nach lokaler Behandlung mit SA, Pip, oder Pseudomonas. Die ari12 Mutante zeigt wildtypähnliche Resistenz gegenüber bakteriellen Infektionen, wohingegen die Überexpression zu einer verstärkten Resistenz in lokalem und systemischem Gewebe führt. Unausgewogene Level von ARI12 (d.h. knockout oder Überexpression) führen zur erhöhten Expression von FMO1, sodass ARI12 potentiell eine regulatorische Rolle in der Pip-vermittelten systemischen Immunantwort übernimmt. Es konnte gezeigt werden, dass ARI12 eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität an Lys474 ist, welche vermutlich für die Aktivierung benötigt wird. Massenspektrometrisch identifizierte, mögliche Substrate von ARI12 konnten noch nicht experimentell bestätigt werden, deuten aber auf eine Rolle von ARI12 in der Regulation von reaktiven Oxygen Spezies (ROS) hin, welche wiederum Pip-anhängige Signalwege regulieren.
Zusammengenommen deuten die Daten aus diesem Projekt darauf hin, dass das 26S Proteasom durch den regulierten Proteinabbau zentral ist für die systemische erworbene Resistenz und dass die bisher wenig untersuchten E3-Ligasen PUB54 und ARI12 neue regulatorische Komponenten der pflanzlichen Immunabwehr darstellen.
KW  - defense priming
KW  - Arabidopsis
KW  - Ubiquitin-proteasome-system
KW  - E3-ubiquitin ligases
KW  - Arabidopsis
KW  - E3-Ubiquitin Ligasen
KW  - Ubiquitin-Proteasom-System
KW  - erworbene Immunantwort
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-505909
ER  - 
TY  - THES
A1  - Soltani, Ouad
T1  - BLF1-Mode of Action in Barley Leaf Size Control
N2  - Establishment of final leaf size in plants represents a complex mechanism that relies on the precise regulation of two interconnected cellular processes, cell division and cell expansion. In previous work, the barley protein BROAD LEAF1 (BLF1) was identified as a novel negative regulator of cell proliferation, that mainly limits leaf growth in the width direction. Here I identified a novel RING/U-box protein that interacts with BLF1 through a yeast two hybrid screen. Using BiFC, Co-IP and FRET I confirmed the interaction of the two proteins in planta. Enrichment of the BLF1-mEGFP fusion protein and the increase of the FRET signal upon MG132 treatment of tobacco plants, together with an in vivo ubiquitylation assay in bacteria, confirmed that the RING/U-box E3 interacts with BLF1 to mediate its ubiquitylation and degradation by the 26S proteasome system. Consistent with regulation of endogenous BLF1 in barley by proteasomal degradation, inhibition of the proteasome by bortezomib treatment on BLF1-vYFP transgenic barley plants also resulted in an enrichment of the BLF1 protein. I thus demonstrated that RING/U-box E3 is colocalized with BLF1 in nuclei and negatively regulates BLF1 protein levels. Analysis of ring-e3_1 knock-out mutants suggested the involvement of the RING/U-box E3 gene in leaf growth control, although the effect was mainly on leaf length. Together, my results suggest that proteasomal degradation, possibly mediated by RING/U-box E3, contributes to fine-tuning BLF1 protein-level in barley.
N2  - Die Festlegung der endgültigen Blattgröße bei Pflanzen ist ein komplexer Mechanismus, der auf der präzisen Regulierung zweier miteinander verbundener zellulärer Prozesse beruht, der Zellteilung und der Zellexpansion. In einer früheren Arbeit wurde das Gerstenprotein BROAD LEAF1 (BLF1), als ein neuartiger negativer Regulator der Zellproliferation identifiziert, der das Blattwachstum hauptsächlich in Richtung der Breite begrenzt. Hier habe ich durch einen Hefe-Zwei-Hybrid-Screen ein neuartiges RING/U-Box-Protein identifiziert, das mit BLF1 interagiert. Mittels BiFC, Co-IP und FRET konnte ich die Interaktion der beiden Proteine in der Pflanze bestätigen. Die Anreicherung des BLF1-mEGFP-Fusionsproteins und der Anstieg des FRET-Signals bei der Behandlung von Tabakpflanzen mit MG132 sowie ein in vivo Ubiquitylierungsassay in Bakterien bestätigten, dass das RING/U-Box-E3 mit BLF1 interagiert und dessen Ubiquitylierung und Abbau durch das 26S-Proteasom-System vermittelt. Darüber hinaus habe ich festgestellt, dass die Behandlung mit Bortezomib, einem Inhibitor des Proteasoms, bei BLF1-vYFP-transgenen Pflanzen ebenfalls zu einer Anreicherung des BLF1-Proteins führt. Ich zeige dass RING/U-Box E3 mit BLF1 in den Zellkernen kolokalisiert ist und den BLF1-Proteinspiegel negativ reguliert. Die Analyse der Knock-out-Mutante ring-e3_1 legte eine Beteiligung das RING/U-Box-E3 Gen an der Kontrolle des Blattlänge nahe, was es zu einem guten Kandidaten macht, der die Funktion des BLF1-Gens regulieren könnte.
KW  - Barley
KW  - Gerste
KW  - leaf width
KW  - Blattbreite
KW  - cell proliferation
KW  - Zellproliferation
KW  - INDETERMINATE DOMAIN protein
KW  - INDETERMINATE DOMAIN-Protein
KW  - BROAD LEAF1
KW  - RING/U-box E3
KW  - ubiquitination
KW  - Ubiquitinierung
KW  - proteasomal degradation
KW  - 26S-Proteasom-System-Abbau
KW  - protein-level regulation
KW  - Proteinspiegel regulieren
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607054
ER  - 
TY  - THES
A1  - Skirycz, Aleksandra
T1  - Functional analysis of selected DOF transcription factors in the model plant Arabidopsis thaliana
T1  - Funktionsanalyse ausgewählter DOF-Transkriptionsfaktoren bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana
N2  - Transcription factors (TFs) are global regulators of gene expression playing essential roles in almost all biological processes, and are therefore of great scientific and biotechnological interest. This project focused on functional characterisation of three DNA-binding-with-one-zinc-finger (DOF) TFs from the genetic model plant Arabidopsis thaliana, namely OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. These genes were selected due to severe growth phenotypes conferred upon their constitutive over-expression. To identify biological processes regulated by OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 in detail molecular and physiological characterization of transgenic plants with modified levels of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 expression (constitutive and inducible over-expression, RNAi) was performed using both targeted and profiling technologies. Additionally expression patterns of studied TFs and their target genes were analyzed using promoter-GUS lines and publicly available microarray data. Finally selected target genes were confirmed by chromatin immuno-precipitation and electrophoretic-mobility shift assays. This combinatorial approach revealed distinct biological functions of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. Specifically OBP2 controls indole glucosinolate / auxin homeostasis by directly regulating the enzyme at the branch of these pathways; CYP83B1 (Skirycz et al., 2006). Glucosinolates are secondary compounds important for defence against herbivores and pathogens in the plants order Caparales (e.g. Arabidopsis, canola and broccoli) whilst auxin is an essential plant hormone. Hence OBP2 is important for both response to biotic stress and plant growth. Similarly to OBP2 also AtDOF4;2 is involved in the regulation of plant secondary metabolism and affects production of various phenylpropanoid compounds in a tissue and environmental specific manner. It was found that under certain stress conditions AtDOF4;2 negatively regulates flavonoid biosynthetic genes whilst in certain tissues it activates hydroxycinnamic acid production. It was hypothesized that this dual function is most likely related to specific interactions with other proteins; perhaps other TFs (Skirycz et al., 2007). Finally OBP1 regulates both cell proliferation and cell expansion. It was shown that OBP1 controls cell cycle activity by directly targeting the expression of core cell cycle genes (CYCD3;3 and KRP7), other TFs and components of the replication machinery. Evidence for OBP1 mediated activation of cell cycle during embryogenesis and germination will be presented. Additionally and independently on its effects on cell proliferation OBP1 negatively affects cell expansion via reduced expression of cell wall loosening enzymes. Summing up this work provides an important input into our knowledge on DOF TFs function. Future work will concentrate on establishing exact regulatory networks of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 and their possible biotechnological applications.
N2  - Biologische Prozesse, wie beispielsweise das Wachstum von Organen und ganzen Organismen oder die Reaktion von Lebewesen auf ungünstige Umweltbedingungen, unterliegen zahlreichen Regulationsmechanismen. Besonders wichtige Regulatoren sind die sogenannten Transkriptionsfaktoren. Dabei handelt es sich um Proteine, die die Aktivität von Erbeinheiten, den Genen, beeinflussen. In Pflanzen gibt es etwa 2000 solcher Regulatoren. Da sie wichtige Kontrollelemente darstellen, sind sie von großem wissenschaftlichen und biotechnologischen Interesse. Im Rahmen der Doktorarbeit sollte die Funktion von drei Transkriptionsfaktoren, genannt OBP1, OBP2 und AtDOF4;2, untersucht werden. Sie wurden bei der Suche nach neuen Wachstumsregulatoren identifiziert. Als Untersuchungsobjekt diente die in der Öffentlichkeit kaum bekannte Pflanze Ackerschmalwand, lateinisch als Arabidopsis thaliana bezeichnet. Um die Funktion der Regulatoren zu entschlüsseln, wurden an der Modellpflanze genetische Veränderungen durchgeführt und die Pflanzen dann mit molekularbiologischen und physiologischen Methoden analysiert. Es zeigte sich, dass OBP1 an der Regulation der Zellteilung beteiligt ist. Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Gelingt es, die Zellteilung gezielt zu steuern, kann damit beispielsweise die Produktion von pflanzlicher Biomasse verbessert werden. Das OBP1-Protein übt auch einen Einfluss auf die Zellstreckung aus und beeinflusst auch auf diesem Wege das pflanzliche Wachstum. Die beiden anderen Proteine steuern Prozesse, die im Zusammenhang mit der Bildung von Pflanzeninhaltsstoffen stehen. OBP2 ist Teil eines zellulären Netzwerkes, dass die Synthese von sogenannten Glucosinolaten steuert. Glucosinolate kommen unter anderem in Broccoli und Kohl vor. Sie fungieren als Abwehrstoffe gegen Fraßinsekten. Einigen Glucosinolaten wird auch gesundheitsfördernde Wirkung zugesprochen. Das Protein AtDOF4;2 ist Komponente eines anderen Netzwerkes, dass die Bildung von Phenylpropanoiden steuert. Diese Substanzen haben strukturelle Funktion und spielen darüber hinaus eine Rolle bei der pflanzlichen Toleranz gegenüber tiefen Temperaturen. Mit der Doktorarbeit konnte das Wissen über die Transkriptionsfaktoren erheblich erweitert und die Grundlage für interessante zukünftige Arbeiten gelegt werden. Von großer Bedeutung wird es dabei sein, die Netzwerke, in die die Transkriptionsfaktoren eingebunden sind, noch besser zu verstehen. Dann wird es möglich sein, auch Teilnetzwerke gezielt zu beeinflussen, was für biotechnologische Anwendungen, beispielsweise bei der Präzisionszüchtung von nachwachsenden Rohstoffen, von zentraler Bedeutung ist.
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - transcription factors
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - cell cycle
KW  - secondary metabolism
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16987
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sin, Celine
T1  - Post-transcriptional control of gene expression
T1  - Post-Transkription Steuerung der Genexpression
N2  - Gene expression describes the process of making functional gene products (e.g. proteins or special RNAs) from instructions encoded in the genetic information (e.g. DNA).  This process is heavily regulated, allowing cells to produce the appropriate gene products necessary for cell survival, adapting production as necessary for different cell environments.  Gene expression is subject to regulation at several levels, including transcription, mRNA degradation, translation and protein degradation.  When intact, this system maintains cell homeostasis, keeping the cell alive and adaptable to different environments.  Malfunction in the system can result in disease states and cell death.  In this dissertation, we explore several aspects of gene expression control by analyzing data from biological experiments.  Most of the work following uses a common mathematical model framework based on Markov chain models to test hypotheses, predict system dynamics or elucidate network topology.  Our work lies in the intersection between mathematics and biology and showcases the power of statistical data analysis and math modeling for validation and discovery of biological phenomena.
N2  - Das „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ besagt, dass der Fluss genetischer Information mit der DNS startet, die dann auf die RNS kopiert und in Proteine übersetzt wird (Crick 1970). Dieses System der Informationsübertragung bietet zwei natürliche Eingriffspunkte, an denen Genausprägungen manipuliert werden können -- entweder auf dem Level der mRNS (z.B. durch Kontrolle der Transkriptions- oder mRNS- Degradationsprozesse) oder auf dem Level des Proteins (z.B. durch Kontrolle der Translations- oder Proteindegradationsprozesse). An jedem Eingriffspunkt sind eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse zeitgleich aktiv, um die Konzentrationen von mRNS und Proteinen präzise einzustellen. All diese Prozesse tragen dazu bei, die Zelle intern im stationäzen Zustand zu halten, denn eine Fehlfunktion im System kann zu Krankheitszuständen oder zum Zelltot führen. In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene Aspekte der Kontrolle der Genausprägungs, indem wir Daten biologischer Experimente analysieren. Unsere Arbeit liegt hierbei zwischen den Bereichen der mathematischer Modellierung und der Biologie und zeigt den immensen Nutzen von statistischen Analysemethoden und mathematischer Modellbildung zur Validierung und Neuentdeckung biologischer Phänomene auf.
KW  - mRNA degradation
KW  - protein degradation
KW  - gene expression control
KW  - mathematical modeling
KW  - stochastic modeling
KW  - data analysis and statistics
KW  - next generation sequencing (NGS)
KW  - ribosome
KW  - Datenanalyse und Statistik
KW  - Regulierung der Genexpression
KW  - mRNA Degradierung
KW  - mathematisches Modellierung
KW  - Proteindegradierung
KW  - Ribosom
KW  - stochastische Modellierung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102469
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siemiatkowska, Beata
T1  - Redox signalling in plants
N2  - Once proteins are synthesized, they can additionally be modified by post-translational modifications (PTMs). Proteins containing reactive cysteine thiols, stabilized in their deprotonated form due to their local environment as thiolates (RS-), serve as redox sensors by undergoing a multitude of oxidative PTMs (Ox-PTMs). Ox-PTMs such as S-nitrosylation or formation of inter- or intra-disulfide bridges induce functional changes in these proteins. Proteins containing cysteines, whose thiol oxidation state regulates their functions, belong to the so-called redoxome. Such Ox-PTMs are controlled by site-specific cellular events that play a crucial role in protein regulation, affecting enzyme catalytic sites, ligand binding affinity, protein-protein interactions or protein stability. Reversible protein thiol oxidation is an essential regulatory mechanism of photosynthesis, metabolism, and gene expression in all photosynthetic organisms. Therefore, studying PTMs will remain crucial for understanding plant adaptation to external stimuli like fluctuating light conditions. Optimizing methods suitable for studying plants Ox-PTMs is of high importance for elucidation of the redoxome in plants. This study focusses on thiol modifications occurring in plant and provides novel insight into in vivo redoxome of Arabidopsis thaliana in response to light vs. dark. This was achieved by utilizing a resin-assisted thiol enrichment approach. Furthermore, confirmation of candidates on the single protein level was carried out by a differential labelling approach. The thiols and disulfides were differentially labelled, and the protein levels were detected using immunoblot analysis. Further analysis was focused on light-reduced proteins. By the enrichment approach many well studied redox-regulated proteins were identified. Amongst those were fructose 1,6-bisphosphatase (FBPase) and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase) which have previously been described as thioredoxin system targeted enzymes. The redox regulated proteins identified in the current study were compared to several published, independent results showing redox regulated proteins in Arabidopsis leaves, root, mitochondria and specifically S-nitrosylated proteins. These proteins were excluded as potential new candidates but remain as a proof-of-concept to the enrichment experiments to be effective. Additionally, CSP41A and CSP41B proteins, which emerged from this study as potential targets of redox-regulation, were analyzed by Ribo-Seq. The active translatome study of csp41a mutant vs. wild-type showed most of the significant changes at end of the night, similarly as csp41b. Yet, in both mutants only several chloroplast-encoded genes were altered. Further studies of CSP41A and CSP41B proteins are needed to reveal their functions and elucidate the role of redox regulation of these proteins.
N2  - Wenn Proteine synthetisiert sind, können sie zusätzlich noch post-translationelle Modifikationen (PTM) aufweisen. Proteine, die wegen ihres lokalen Umfeldes reaktive Cysteinthiole in ihrer stabilen deprotonierten Thiolat-Form aufweisen, dienen als Redoxsensoren indem sie eine Vielzahl von oxidativen PTMs (Ox-PTMs) enthalten können.  Ox-PTMs wie die S-Nitrosylierung oder die Bildung von Inter- oder Intradisulfidbrücken induzieren funktionelle Veränderungen in diesen Proteinen. Cystein-haltige Proteine, deren Funktion durch diese Thioloxidierung gesteuert werden, gehören zu dem so genannten Redoxom. Die Ox-PTMs werden durch ortsspezifische zelluläre Prozesse gesteuert, die eine essentielle Rolle bei der Proteinregulation spielen und welche das katalytische Zentrum, die Ligandenbindungsaffinität, Protein-Protein-Interaktionen oder die Proteinstabilität beeinflussen können. Die umkehrbare Proteinthioloxidierung ist ein essentieller regulatorischer Mechanismus in der Photosynthese, dem Metabolismus und der Genexpression photosynthetischer Organismen. Es ist demnach wichtig PTMs zu untersuchen, um zu verstehen wie sich Pflanzen an externe Stimuli wie das Licht anpassen können. Es ist von großer Bedeutung für das Redoxom-Forschungsgebiet Methoden zur Untersuchung von pflanzlichen Ox-PTMs zu verbessern. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Thiolveränderungen, die in Pflanzen auftreten, und gibt einen Einblick in das in vivo Redoxom von Arabidopsis thaliana als Reaktion auf Licht oder Dunkelheit. Dieses wurde ermöglicht durch eine auf Harz-basierende Thiol-Anreicherung. Darüber hinaus konnten Kandidaten auf dem Einzelproteinlevel durch eine Differentialmarkierungsmethode bestätigt werden. Thiole und Disulfide wurden unterschiedlich markiert und die Proteine durch spezifische Antikörper mittels Proteinblotanalyse erkannt. Weitere Analysen fokussierten sich auf im Licht reduzierte Proteine. Durch die Anreicherungsmethode konnten viele bereits untersuchte redox-regulierte Proteine identifiziert werden. Unter diesen waren unter anderem die Fruktose-1,6-Bisphosphatase (FBPase) sowie die Seduheptulose-1,7-Bisphosphatase (SBPase), welche als Thioredoxin-gesteuerte Enzyme beschrieben sind.  Die redox-regulierten Proteine, die in dieser Studie identifiziert werden konnten, wurden mit veröffentlichten unabhängigen Ergebnissen verglichen und dieses führte zu einer Vielzahl an redox-regulierten Proteinen in Arabidopsisblättern, -Wurzeln und -Mitochondrien sowie S-nitrosylierten Proteinen. Diese Proteine wurden zwar als neue potentielle Kandidaten ausgeschlossen, zeigten allerdings die Effektivität der Anreicherungsmethode. Darüber hinaus wurden die Proteine CSP41 A and CSP41 B, welche in dieser Studie als potentielle Ziele der Redox-Regulation identifiziert wurden, durch Ribo-seq analysiert.
T2  - Redoxsignalisierung in Pflanzen
KW  - redox
KW  - signalling
KW  - plants
KW  - enrichments methods
KW  - post-translational modifications
KW  - oxidative protein modifications
KW  - Redox
KW  - Signalübertragung
KW  - Pflanzen
KW  - Anreicherungsmethoden
KW  - posttranslationale Modifikationen
KW  - oxidative Proteinmodifikationen
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489119
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siebler, Lara
T1  - Identifying novel regulators of heat stress memory in Arabidopsis thaliana
T1  - Identifikation neuer Regulatoren des Hitzestressgedächtnisses in Arabidopsis thaliana
N2  - Heat stress (HS) is a major abiotic stress that negatively affects plant growth and productivity. However, plants have developed various adaptive mechanisms to cope with HS, including the acquisition and maintenance of thermotolerance, which allows them to respond more effectively to subsequent stress episodes. HS memory includes type II transcriptional memory which is characterized by enhanced re-induction of a subset of HS memory genes upon recurrent HS. In this study, new regulators of HS memory in A. thaliana were identified through the characterization of rein mutants.
The rein1 mutant carries a premature stop in CYCLIN-DEPENDENT-KINASE 8 (CDK8) which is part of the cyclin kinase module of the Mediator complex. Rein1 seedlings show impaired type II transcriptional memory in multiple heat-responsive genes upon re-exposure to HS. Additionally, the mutants exhibit a significant deficiency in HS memory at the physiological level. Interaction studies conducted in this work indicate that CDK8 associates with the memory HEAT SHOCK FACTORs HSAF2 and HSFA3. The results suggest that CDK8 plays a crucial role in HS memory in plants together with other memory HSFs, which may be potential targets of the CDK8 kinase function. Understanding the role and interaction network of the Mediator complex during HS-induced transcriptional memory will be an exciting aspect of future HS memory research. 
The second characterized mutant, rein2, was selected based on its strongly impaired pAPX2::LUC re-induction phenotype. In gene expression analysis, the mutant revealed additional defects in the initial induction of HS memory genes. Along with this observation, basal thermotolerance was impaired similarly as HS memory at the physiological level in rein2. Sequencing of backcrossed bulk segregants with subsequent fine mapping narrowed the location of REIN2 to a 1 Mb region on chromosome 1. This interval contains the At1g65440 gene, which encodes the histone chaperone SPT6L. SPT6L interacts with chromatin remodelers and bridges them to the transcription machinery to regulate nucleosome and Pol II occupancy around the transcriptional start site. The EMS-induced missense mutation in SPT6L may cause altered HS-induced gene expression in rein2, possibly triggered by changes in the chromatin environment resulting from altered histone chaperone function.
Expanding research on screen-derived factors that modify type II transcriptional memory has the potential to enhance our understanding of HS memory in plants. Discovering connections between previously identified memory factors will help to elucidate the underlying network of HS memory. This knowledge can initiate new approaches to improve heat resilience in crops.
N2  - Hitzestress ist ein abiotischer Stressfaktor, der Pflanzenwachstum und Ertragsfähigkeit negativ beeinflusst. Pflanzen haben Anpassungsmechanismen entwickelt, einschließlich des Erwerbs und der Aufrechterhaltung von Thermotoleranz, die es ihnen ermöglichen auf wiederholte Stressereignisse effektiver zu reagieren. Das Hitzestress-Gedächtnis umfasst unter anderem verstärkte Re-Induktion von Gedächtnisgenen nach wiederholter Exposition (Typ II). In dieser Arbeit wurden anhand der Charakterisierung von Re-Induktionsmutanten (rein Mutanten) neue Regulatoren des Typ II Hitzestress-Gedächtnisses in A. thaliana identifiziert.
Die rein1 Mutante weist ein vorzeitiges Stoppcodon in CDK8 auf, einer Untereinheit im Kinasemodul des Mediator Komplexes. Rein1 Keimlinge zeigen ein beeinträchtigtes Hitzstress-Transkriptionsgedächtnis, sowie Defekte in der Aufrechterhaltung der Thermotoleranz auf physiologischer Ebene. Mittels Interaktionsstudien konnte gezeigt werden, dass CDK8 mit den im Hitzestress-Gedächtnis fungierenden Hitzeschockfaktoren HSAF2 und HSFA3 interagiert. Die Ergebnisse legen nahe, dass CDK8 zusammen mit HSFs eine Rolle bei der Aufrechterhaltung des Hitzestress-Gedächtnisses spielt, wobei letztere potenzielle Ziele der Kinasefunktion von CDK8 darstellen. Die Rolle und das Interaktionsnetzwerk des Mediatorkomplexes während der durch Hitzstress-induzierten transkriptionellen Gedächtnis-bildung und Aufrechterhaltung ist ein aufregender Aspekt zukünftiger Forschung.
Die zweite rein Mutante (rein2) wurde aufgrund einer stark beeinträchtigten transkriptionellen Re-Induktion nach wiederholtem Hitzestress für weitere Charakterisierungen ausgewählt. Dabei wurden zusätzliche Defekte in der initialen Induktion von Hitzestress-Gedächtnisgenen festgestellt. Die basale Thermotoleranz in rein2 war in ähnlicher Weise beeinträchtigt wie das Hitzestress-Gedächtnis. Die Position von REIN2 wurde mithilfe von Sequenzierung und Feinkartierung auf eine 1 Mb große Region auf Chromosom 1 eingegrenzt. Dieses Intervall enthält das Gen At1g65440, das für Histon-Chaperon SPT6L kodiert. Die Missense-Mutation in SPT6L könnte die Ursache für das veränderte Hitzestress-induzierte Transkriptionsmuster in rein2 sein, möglicherweise aufgrund von einer abweichenden Chaperonfunktion und folglich Veränderung in der Chromatinumgebung.
Die Ausweitung der Forschung zu den in diesem Screening ermittelten Faktoren, die das Typ II Transkriptionsgedächtnis beeinflussen, hat das Potenzial, unser derzeitiges Verständnis des Hitzestress-Gedächtnisses in Pflanzen zu verbessern und Verbindungen zwischen zuvor entdeckten Gedächtnisregulatoren herzustellen. Dieses Wissen kann dazu beitragen neue Ansätze zur Verbesserung der Hitzeresilienz bei Nutzpflanzen anzustoßen.
KW  - epigenetics
KW  - heat stress
KW  - molecular biology
KW  - genetic screen
KW  - Epigenetik
KW  - Hitzestress
KW  - Molekularbiologie
KW  - genetischer Screen
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634477
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sieber, Matthias
T1  - Modulatoren des Calcineurin-NFATc-Signalweges in humanen TH-Zellen
T1  - Modulators of the calcineurin-NFATc signalling pathway in human T helper cells
N2  - Die Ca2+/Calmodulin-aktivierte Serin/Threonin-Phosphatase Calcineurin ist ein Schlüsselmolekül des T-Zell-Rezeptorabhängigen Signalnetzwerkes. Calcineurin aktiviert die Transkriptionsfaktoren der NFATc-Familie durch Dephosphorylierung und reguliert darüber die Expression wichtiger Zytokine und Oberflächenproteine. Die Aktivität von Calcineurin wird durch zahlreiche endogene Proteine moduliert und ist Angriffspunkt der immunsuppressiven Substanzen Cyclosporin A und FK506. In dieser Arbeit wurde der alternative niedermolekulare Calcineurin-NFATc-Inhibitor NCI3 hinsichtlich seiner Effekte auf T-Zell-Rezeptor-abhängige Signalwege charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, daß das Pyrazolopyrimidinderivat NCI3 nichttoxisch und zellmembranpermeabel ist. In T-Zell-Rezeptor-stimulierten primären humanen TH-Zellen unterdrückt NCI3 die Proliferation und IL-2-Produktion (IC50-Wert ~4 µM), da die Dephosphorylierung von NFATc und die anschließende nukleäre Translokation gehemmt wird. NCI3 inhibiert die calcineurinabhängige NFAT- und NF-κB-, aber nicht die AP-1-kontrollierte Reprtergenexpression, in mikromolaren Konzentrationen (IC50-Werte 2 bzw. 7 µM). Im Gegensatz zu Cyclosporin A stört NCI3 nicht die Phosphataseaktivität von Calcineurin, sondern interferiert mit der Calcineurin-NFATc-Bindung. Ein wichtiges endogenes Modulatorprotein für die Calcineurinaktivität ist RCAN1, das vermutlich den Calcineurin-NFATc-Signalweg über einen negativen Rückkopplungsmechanismus reguliert. Hier wurde gezeigt, daß RCAN1 in humanen TH-Zellen exprimiert wird. Die Spleißvariante RCAN1-1 ist in ruhenden T-Zellen basal exprimiert und wird nicht durch T-Zell-Rezeptor-Stimulierung in seiner Expression verändert. RCAN1-4 dagegen ist in ruhenden Zellen kaum zu detektieren und wird stimulierungsabhängig induziert. Durch die Verwendung Calcineurin-NFATc-spezifischer Inhibitoren wie NCI3 wurde gezeigt, daß die RCAN1-4-Induktion durch diesen Signalweg limitiert ist. Die in dieser Arbeit gewonnenen Daten und Erkenntnisse tragen dazu bei, das Verständnis der Funktion und Regulation von Calcineurin in T-Zellen zu vertiefen.
N2  - The Ca2+/calmodulin dependent serine/threonine phosphatase calcineurin is a key molecule in the T cell receptor dependent signalling network. Calcineurin dephosphorylates and thereby activates the transcription factors of the NFATc family that, among others, control the expression of important cytokines and cell surface molecules. The activity of Calcineurin is modulated by several endogenous proteins and is inhibited by the immunosuppressants cyclosporine A and FK506. Here, the novel low molecular weight inhibitor NCI3 was characterized in respect to its effects on T cell receptor dependent signalling. The results of this work show, that the pyrazolopyrimidine derivate NCI3 is nontoxic and permeates the cell membrane. Upon TCR stimulation NCI3 suppresses T cell proliferation and IL-2 production of primary human TH cells with IC50 values of ~4 µM by blocking the dephosphorylation and subsequent nuclear translocation of NFATc. NCI3 conse-quently inhibits calcineurin dependent NFAT- and NF-κB-, but not AP-1-controlled reporter gene expression, in micromolar concentrations (IC50 values 2 and 7 µM, respectively). In opposite to cyclosporine A and FK506, NCI3 does not interfere with the phosphatase activity of calcineurin but rather disturbs the calcineurin-NFATc interaction. A major endogenous modulator of calcineurin is the protein RCAN1, which is supposed to regulate calcineurin-NFATc signalling in a negative feedback loop. The presented data show that RCAN1 is expressed in human TH cells. The splice variant RCAN1-1 is basally expressed in resting T cells, and its expression levels are not changed by T cell receptor stimulation. Expression of RCAN1-4, on the other hand, is nearly undetectable in resting TH cells and is induced upon cell stimulation. By using calcineurin-NFATc specific inhibitors such as NCI3 it could be shown that RCAN1-4 induction is limited by this pathway. This work provides a comprehensive characterization of the novel inhibitor NCI3 and insights into the regulation of calcineurin by RCAN1 in human TH cells.
KW  - Calcineurin
KW  - NFAT
KW  - RCAN1
KW  - Cyclosporin A
KW  - NCI3
KW  - calcineurin
KW  - NFAT
KW  - RCAN1
KW  - cyclosporin A
KW  - NCI3
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-44676
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shikangalah, Rosemary Ndawapeka
T1  - An ecohydrological impact assessment in urban areas
BT  - urban water erosion in Windhoek, Namibia
N2  - Over the last decades, the world’s population has been growing at a faster rate, resulting in increased urbanisation, especially in developing countries. More than half of the global population currently lives in urbanised areas with an increasing tendency. The growth of cities results in a significant loss of vegetation cover, soil compaction and sealing of the soil surface which in turn results in high surface runoff during high-intensity storms and causes the problem of accelerated soil water erosion on streets and building grounds. Accelerated soil water erosion is a serious environmental problem in cities as it gives rise to the contamination of aquatic bodies, reduction of ground water recharge and increase in land degradation, and also results in damages to urban infrastructures, including drainage systems, houses and roads. Understanding the problem of water erosion in urban settings is essential for the sustainable planning and management of cities prone to water erosion. However, in spite of the vast existence of scientific literature on water erosion in rural regions, a concrete understanding of the underlying dynamics of urban erosion still remains inadequate for the urban dryland environments.

This study aimed at assessing water erosion and the associated socio-environmental determinants in a typical dryland urban area and used the city of Windhoek, Namibia, as a case study. The study used a multidisciplinary approach to assess the problem of water erosion. This included an in depth literature review on current research approaches and challenges of urban erosion, a field survey method for the quantification of the spatial extent of urban erosion in the dryland city of Windhoek, and face to face interviews by using semi-structured questionnaires to analyse the perceptions of stakeholders on urban erosion.

The review revealed that around 64% of the literatures reviewed were conducted in the developed world, and very few researches were carried out in regions with extreme climate, including dryland regions. Furthermore, the applied methods for erosion quantification and monitoring are not inclusive of urban typical features and they are not specific for urban areas. The reviewed literature also lacked aspects aimed at addressing the issues of climate change and policies regarding erosion in cities. In a field study, the spatial extent and severity of an urban dryland city, Windhoek, was quantified and the results show that nearly 56% of the city is affected by water erosion showing signs of accelerated erosion in the form of rills and gullies, which occurred mainly in the underdeveloped, informal and semi-formal areas of the city. Factors influencing the extent of erosion in Windhoek included vegetation cover and type, socio-urban factors and to a lesser extent slope estimates. A comparison of an interpolated field survey erosion map with a conventional erosion assessment tool (the Universal Soil Loss Equation) depicted a large deviation in spatial patterns, which underlines the inappropriateness of traditional non-urban erosion tools to urban settings and emphasises the need to develop new erosion assessment and management methods for urban environments. It was concluded that measures for controlling water erosion in the city need to be site-specific as the extent of erosion varied largely across the city.

The study also analysed the perceptions and understanding of stakeholders of urban water erosion in Windhoek, by interviewing 41 stakeholders using semi-structured questionnaires. The analysis addressed their understanding of water erosion dynamics, their perceptions with regards to the causes and the seriousness of erosion damages, and their attitudes towards the responsibilities for urban erosion. The results indicated that there is less awareness of the process as a phenomenon, instead there is more awareness of erosion damages and the factors contributing to the damages. About 69% of the stakeholders considered erosion damages to be ranging from moderate to very serious. However, there were notable disparities between the private householders and public authority groups. The study further found that the stakeholders have no clear understanding of their responsibilities towards the management of the control measures and payment for the damages. The private householders and local authority sectors pointed fingers at each other for the responsibilities for erosion damage payments and for putting up prevention measures. The reluctance to take responsibility could create a predicament for areas affected, specifically in the informal settlements where land management is not carried out by the local authority and land is not owned by the occupants.

The study concluded that in order to combat urban erosion, it is crucial to understand diverse dynamics aggravating the process of urbanisation from different scales. Accordingly, the study suggests that there is an urgent need for the development of urban-specific approaches that aim at: (a) incorporating the diverse socio-economic-environmental aspects influencing erosion, (b) scientifically improving natural cycles that influence water storages and nutrients for plants in urbanised dryland areas in order to increase the amount of vegetation cover, (c) making use of high resolution satellite images to improve the adopted methods for assessing urban erosion, (d) developing water erosion policies, and (e) continuously monitoring the impact of erosion and the influencing processes from local, national and international levels.
N2  - In den letzten Jahrzehnten ist die Erdbevölkerung mit großer Geschwindigkeit gewachsen. Das hatte eine verstärkte Urbanisierung zur Folge, insbesondere in den Entwicklungsländern. Zurzeit lebt über die Hälfte der globalen Bevölkerung in Stadtgebieten, mit steigender Tendenz. Städtewachstum geht mit einem signifikanten Verlust von Vegetationsbedeckung, sowie mit Bodenverdichtung und -versiegelung einher. Diese Faktoren führen bei  Starkregenereignissen zu einem hohen Oberflächenabfluss, und zu Problemen durch beschleunigte wasserbedingte Bodenerosion in Straßen und auf Baugelände. In Städten ist eine beschleunigte wasserbedingte Bodenerosion ist ein ernstzunehmendes Umweltproblem, denn sie verursacht eine Verschmutzung der Gewässer, eine verminderte Grundwasserneubildung und erhöhte Landdegradierung. Darüber hinaus kommt es zu erosionsbedingten Schäden in der städtischen Infrastruktur, inklusive der Entwässerungssysteme, sowie an Häusern und Straßen. Für ein nachhaltiges Planen und Management von erosionsanfälligen Städten ist es von essentieller Bedeutung, die Probleme der Wassererosion in städtischen Gebieten zu verstehen. Trotz der großen Anzahl wissenschaftlicher Studien über Wassererosion in ländlichen Gegenden bleibt unser Verständnis der zu Grunde liegenden Erosionsdynamiken in urbanen Trockengebieten unzureichend.

Diese Studie zielt darauf ab, Wassererosion, sowie die dazu beitragenden sozio-ökologischen Faktoren, in einem typischen urbanen Trockengebiet zu erfassen. Hierzu wurde ein fachübergreifender Ansatz am Fallbeispiel der Stadt Windhoek, Namibia, gewählt. Die Arbeit umfasst eine detaillierte Literaturanalyse der aktuellen Forschungsansätze zur urbanen Wassererosion und den damit verbundenen Herausforderungen. Außerdem wurde eine feldstudienbasierte Methode entwickelt, mit der das Ausmaß der Wassererosion in der Stadt Windhoek quantifiziert und räumlich erfasst wurde. Schließlich wurden persönliche Befragungen mit halbstrukturierten Fragebögen durchgeführt, um die Wahrnehmung der verschiedenen Interessenvertreter zum Thema Erosion in Stadtgebieten zu analysieren.

Die Literaturanalyse hat gezeigt, dass 64% der untersuchten Studien in der entwickelten Welt durchgeführt wurden und nur sehr wenige Regionen mit extremen Klimabedingungen, einschließlich Trockengebieten, untersucht wurden. Hinzu kommt, dass die verwendeten Methoden zur Erosionsquantifizierung und -beobachtung die für urbane Gebiete typischen Merkmale nicht beinhalten und dafür auch nicht ausgerichtet sind. Des Weiteren mangelt es der untersuchten Literatur an Ansätzen, die den Einfluss des Klimawandels und politische Aspekte in Bezug auf Erosion in Stadtgebieten thematisieren. In einer Feldstudie wurde das Ausmaß von Wassererosion in der trocken gelegenen Stadt Windhoek quantifiziert und räumlich erfasst. Beinahe 56% der Stadt waren von Wassererosion betroffen und wiesen Anzeichen beschleunigter Erosion in Form von Rinnen und Rillen auf. Letztere traten vor allem in den unterentwickelten, informellen und semi-formellen Stadtgebieten auf. Das Ausmaß der Erosion in Windhoek wurde unter anderem von der Vegetationsbedeckung und dem Vegetationstyp, von sozial-urbanen Faktoren, und zu einem geringeren Grad von dem geschätzten Gefälle bestimmt. Der Vergleich einer interpolierten feldstudienbasierten Erosionskarte mit Ergebnissen, die auf einer konventionellen Methode zur Erosionserfassung (der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG)) basieren, ergab eine starke Abweichung in den räumlichen Mustern. Das verdeutlicht die Unzulänglichkeit einer direkten Übertragung von traditionellen nicht-urbanen Methoden zur Erosionserfassung auf ein urbanes Umfeld und betont die Notwendigkeit, neue Methoden sowohl zur Erfassung als auch zum Management von Erosion für urbane Gebiete zu entwickeln. Aus der großen Variabilität des Erosionsausmaßes innerhalb der Stadt lässt sich folgern, dass Methoden zur Kontrolle von Wassererosion in Städten standortspezifisch sein sollten.

Anhand von halbstrukturierten Fragebögen wurde in einem weiteren Teil der Arbeit die Wahrnehmung und das Verständnis der unterschiedlichen Interessenvertreter zum Thema urbane Wassererosion in Windhoek untersucht. Insgesamt wurden 41 Interessenvertreter zu ihrem Verständnis der Wassererosionsdynamiken, zu ihrer Wahrnehmung in Bezug auf mögliche Ursachen und zum Ausmaß der Erosionsschäden, sowie zu ihrer Einstellung zur Verantwortlichkeit für die Erosion in der Stadt befragt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eine geringe Wahrnehmung für das Phänomen der Erosion als Prozess gibt, dafür aber eine im Vergleich erhöhte Wahrnehmung der Erosionsschäden und der Faktoren, die zu den Schäden beitragen. Ungefähr 69% der Interessenvertreter stuften die Erosionsschäden als moderat bis sehr ernsthaft ein. Dabei gab es erkennbare Differenzen zwischen der Gruppe der privaten Haushalte und der der öffentlichen Behörden. Des Weiteren hat die Untersuchung ergeben, dass die Interessenvertreter kein klares Verständnis ihrer Verantwortung in Bezug auf das Management der Kontrollmaßnahmen, sowie ihrer finanziellen Verantwortung für die Schäden haben. Die privaten Haushalte und die örtlichen Behörden wiesen sich gegenseitig die Zahlungsverantwortung für die Erosionsschäden und für vorbeugende Maßnahmen zu. Der Unwille der einzelnen Akteure, Verantwortung zu übernehmen, könnte eine Zwickmühle für die betroffenen Gebiete werden. Dies gilt insbesondere für die informellen Siedlungen, in denen von den örtlichen Behörden kein Landmanagement durchgeführt wird, das Land aber auch nicht Eigentum der Bewohnern ist.

Abschließend hat die Studie ergeben, dass es für eine effektive Erosionsbekämpfung in der Stadt von ausschlaggebender Bedeutung ist, die verschiedenen, den Prozess der Urbanisierung auf negative Weise verstärkenden Dynamiken, auf ihren unterschiedlichen Skalen zu verstehen. Auf Grundlage der hier präsentierten Ergebnisse wird eine Entwicklung speziell auf Stadtgebiete ausgerichteter Ansätze mit folgenden Zielen dringend nahegelegt: (a) Einer Integration von diversen sozio-ökonomisch-ökologischen Aspekten, die sich auf Erosion auswirken; (b) Einer wissenschaftlich begründeten Verbesserung der natürlichen Kreisläufe, die sich positiv auf die Wasserspeicherung im Boden und die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen auswirken, um dadurch einen höheren Vegetationsbedeckungsgrad zu erreichen; (c) Der Nutzung hoch aufgelöster Satellitendaten, um die Methoden zur Erosionserfassung für urbane Gebiete zu verbessern; (d) Der Entwicklung politischer Maßnahmen zur Bekämpfung von Wassererosion.
KW  - urban soil erosion
KW  - water erosion
KW  - risk mapping
KW  - urbane Bodenerosion
KW  - Wassererosion
KW  - Risikoabbildung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102356
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shevtsova, Iuliia
T1  - Recent and future vegetation change in the treeline region of Chukotka (NE Russia) inferred from field data, satellite data and modelling
N2  - Vegetation change at high latitudes is one of the central issues nowadays with respect to ongoing climate changes and triggered potential feedback. At high latitude ecosystems, the expected changes include boreal treeline advance, compositional, phenological, physiological (plants), biomass (phytomass) and productivity changes. However, the rate and the extent of the changes under climate change are yet poorly understood and projections are necessary for effective adaptive strategies and forehanded minimisation of the possible negative feedbacks. 
The vegetation itself and environmental conditions, which are playing a great role in its development and distribution are diverse throughout the Subarctic to the Arctic. Among the least investigated areas is central Chukotka in North-Eastern Siberia, Russia. Chukotka has mountainous terrain and a wide variety of vegetation types on the gradient from treeless tundra to northern taiga forests. The treeline there in contrast to subarctic North America and north-western and central Siberia is represented by a deciduous conifer, Larix cajanderi Mayr. The vegetation varies from prostrate lichen Dryas octopetala L. tundra to open graminoid (hummock and non-hummock) tundra to tall Pinus pumila (Pall.) Regel shrublands to sparse and dense larch forests. 
Hence, this thesis presents investigations on recent compositional and above-ground biomass (AGB) changes, as well as potential future changes in AGB in central Chukotka. The aim is to assess how tundra-taiga vegetation develops under changing climate conditions particularly in Fareast Russia, central Chukotka. Therefore, three main research questions were considered: 
1) What changes in vegetation composition have recently occurred in central Chukotka?
2) How have the above-ground biomass AGB rates and distribution changed in central Chukotka?
3) What are the spatial dynamics and rates of tree AGB change in the upcoming millennia in the northern tundra-taiga of central Chukotka?
Remote sensing provides information on the spatial and temporal variability of vegetation. I used Landsat satellite data together with field data (foliage projective cover and AGB) from two expeditions in 2016 and 2018 to Chukotka to upscale vegetation types and AGB for the study area. More specifically, I used Landsat spectral indices (Normalised Difference Vegetation Index (NDVI), Normalised Difference Water Index (NDWI) and Normalised Difference Snow Index (NDSI)) and constrained ordination (Redundancy analysis, RDA) for further k-means-based land-cover classification and general additive model (GAM)-based AGB maps for 2000/2001/2002 and 2016/2017. I also used Tandem-X DEM data for a topographical correction of the Landsat satellite data and to derive slope, aspect, and Topographical Wetness Index (TWI) data for forecasting AGB. 
Firstly, in 2016, taxa-specific projective cover data were collected during a Russian-German expedition. I processed the field data and coupled them with Landsat spectral Indices in the RDA model that was used for k-means classification. I could establish four meaningful land-cover classes: (1) larch closed-canopy forest, (2) forest tundra and shrub tundra, (3) graminoid tundra and (4) prostrate herb tundra and barren areas, and accordingly, I produced the land cover maps for 2000/2001/2002 and 2016/20017. Changes in land-cover classes between the beginning of the century (2000/2001/2002) and the present time (2016/2017) were estimated and interpreted as recent compositional changes in central Chukotka. The transition from graminoid tundra to forest tundra and shrub tundra was interpreted as shrubification and amounts to a 20% area increase in the tundra-taiga zone and 40% area increase in the northern taiga. Major contributors of shrubification are alder, dwarf birch and some species of the heather family. Land-cover change from the forest tundra and shrub tundra class to the larch closed-canopy forest class is interpreted as tree infilling and is notable in the northern taiga. We find almost no land-cover changes in the present treeless tundra. 
Secondly, total AGB state and change were investigated for the same areas. In addition to the total vegetation AGB, I provided estimations for the different taxa present at the field sites. As an outcome, AGB in the study region of central Chukotka ranged from 0 kg m-2 at barren areas to 16 kg m-2 in closed-canopy forests with the larch trees contributing the highest. A comparison of changes in AGB within the investigated period from 2000 to 2016 shows that the greatest changes (up to 1.25 kg m 2 yr 1) occurred in the northern taiga and in areas where land cover changed to larch closed-canopy forest. Our estimations indicate a general increase in total AGB throughout the investigated tundra-taiga and northern taiga, whereas the tundra showed no evidence of change in AGB within the 15 years from 2002 to 2017.
In the third manuscript, potential future AGB changes were estimated based on the results of simulations of the individual-based spatially explicit vegetation model LAVESI using different climate scenarios, depending on Representative Concentration Pathways (RCPs) RCP 2.6, RCP 4.5 and RCP 8.5 with or without cooling after 2300 CE. LAVESI-based AGB was simulated for the current state until 3000 CE for the northern tundra-taiga study area for larch species because we expect the most notable changes to occur will be associated with forest expansion in the treeline ecotone. The spatial distribution and current state of tree AGB was validated against AGB field data, AGB extracted from Landsat satellite data and a high spatial resolution image with distinctive trees visible. The simulation results are indicating differences in tree AGB dynamics plot wise, depending on the distance to the current treeline. The simulated tree AGB dynamics are in concordance with fundamental ecological (emigrational and successional) processes: tree stand formation in simulated results starts with seed dispersion, tree stand establishment, tree stand densification and episodic thinning. Our results suggest mostly densification of existing tree stands in the study region within the current century in the study region and a lagged forest expansion (up to 39% of total area in the RCP 8.5) under all considered climate scenarios without cooling in different local areas depending on the closeness to the current treeline. In scenarios with cooling air temperature after 2300 CE, forests stopped expanding at 2300 CE (up to 10%, RCP 8.5) and then gradually retreated to their pre-21st century position. The average tree AGB rates of increase are the strongest in the first 300 years of the 21st century. The rates depend on the RCP scenario, where the highest are as expected under RCP 8.5.
Overall, this interdisciplinary thesis shows a successful integration of field data, satellite data and modelling for tracking recent and predicting future vegetation changes in mountainous subarctic regions. The obtained results are unique for the focus area in central Chukotka and overall, for mountainous high latitude ecosystems.
N2  - Die Veränderung der Vegetation in den hohen Breiten ist heutzutage eines der zentralen Themen im Hinblick auf den anhaltenden Klimawandel und hat potenziell auslösende Rückkopplungen. In den Ökosystemen der hohen Breiten umfassen die erwarteten Veränderungen das Fortschreiten der borealen Baumgrenze, sowie kompositorische, phänologische, physiologische, Biomassen- (Phytomasse) und Produktivitätsveränderungen. Die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Veränderungen im Rahmen des Klimawandels sind jedoch noch wenig verstanden, und Projektionen sind für wirksame Anpassungsstrategien und eine vorausschauende Minimierung möglicher negativer Rückkopplungen erforderlich. 
Die Vegetation selbst und die Umweltbedingungen, die bei ihrer Entwicklung und Verbreitung eine große Rolle spielen, sind in der gesamten Subarktis bis zur Arktis unterschiedlich. Zu den am wenigsten untersuchten Gebieten gehört Zentral-Tschukotka, in Nordost-Sibirien, Russland. Tschukotka hat gebirgiges Terrain und eine weite Bandbreite von Vegetationstypen entlang des Gradienten von der baumlosen Tundra bis zu den nördlichen Taiga-Wäldern. Die Baumgrenze dort wird im Gegensatz zum subarktischen Nordamerika sowie Nordwest- und Mittelsibirien durch eine laubabwerfende Nadelbaumart, Larix cajanderi Mayr, aufgebaut. Die Vegetation variiert von Tundra mit Flechten und Dryas octopetala L. über offene graminoide (Horstgras und nicht Horstgras) Tundra und hohe Pinus pumila (Pall.) Regel Strauchlandschaften zu lockeren Lärchenbeständen bis zu dichten Lärchenwäldern. 
Somit werden in meiner Dissertation Untersuchungen zu den jüngsten Veränderungen der Vegetationszusammensetzung und der oberirdischen Biomasse (aus dem Englischen above-ground biomass, bzw. AGB), sowie zu potenziellen zukünftigen Veränderungen der AGB vorgestellt. Das Ziel meiner Arbeit ist es abzuschätzen, wie sich die Tundra-Taiga-Vegetation unter Klimawandel entwickelt, insbesondere in Fernost Russland, Zentral-Tschukotka. Daher wurden drei Hauptforschungsfragen berücksichtigt:
1) Welche Veränderungen in der Vegetationszusammensetzung sind in den letzten Jahrzehnten in Zentral-Tschukotka aufgetreten? 
2) Wie haben sich die AGB-Raten und die Verteilung der oberirdischen Biomasse in Zentral-Tschukotka verändert? 
3) Wie sind die räumlichen Dynamiken und Änderungsraten der Baum-AGB in dem kommenden Jahrtausend in der nördlichen Tundra-Taiga in Zentral-Tschukotka?
Fernerkundung liefert Informationen über die räumliche und zeitliche Vegetationsvariabilität. Ich habe Landsat-Satellitendaten zusammen mit Felddaten (Projektive Vegetationsbedeckung und AGB) von zwei Expeditionen in den Jahren 2016 und 2018 nach Tschukotka verwendet, um Vegetationstypen und AGB für das Untersuchungsgebiet räumlich abzubilden. Insbesondere habe ich die Landsat-Spektralindizes (Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI) und Normalized Difference Snow Index (NDSI)) und eine Ordination mit Randbedingungen (Redundanzanalyse, RDA) verwendet, um eine Land-Klassifizierung mittels der k-means Methode zu entwickeln, und AGB-Karten mittels des General Additive Model (GAM) für 2000/2001/2002 und 2016/2017 zu erstellen. Außerdem verwendete ich Tandem-X-DEM-Daten, um die Landsat-Satellitendaten topografisch zu korrigieren und um die Hangneigung-, Hangaspekt- und TWI- (Topographical Wetness Index) Daten für die Vorhersage von AGB abzuleiten. 
Auf einer russisch-deutschen Expedition im Jahr 2016 wurden Vegetationsdaten erhoben.  Ich prozessierte die Felddaten zu taxaspezifischen-projektiven Vegetationsbedeckungsdaten. Ich habe die taxaspezifisch-projektive Vegetationsbedeckung mit Landsat-Spektralindizes im RDA-Modell gekoppelt, das für die k-means-Klassifizierung verwendet wurde. 
Ich konnte vier repräsentative Landbedeckungsklassen einrichten: (1) Lärchen-Wald mit geschlossenem Blätterdach, (2) Waldtundra und Strauch-Tundra, (3) graminoide Tundra und (4) Kräutertundra und vegetationsarme Gebiete. Dementsprechend prozessierte ich dann die Landbedeckungskarten für 2000/2001/2002 und 2016/20017. Ich ermittelte die Änderungen der Landbedeckungsklassen zwischen dem Beginn des Jahrhunderts (2000/2001/2002) und der Gegenwart (2016/2017) und konnte sie als aktuelle Kompositionsänderungen in der Vegetation von Zentral-Tschukotka interpretieren. Die Transformation von der graminoiden Tundra zur Waldtundra oder zur Strauch-Tundra habe ich als Prozess der Strauchbildung interpretiert, die einer Flächenvergrößerung von 20% in der Tundra-Taiga Zone und einer Flächenvergrößerung von 40% in der nördlichen Taiga entspricht. Hauptakteure der Strauchung sind Erle, Zwergbirke und einige Arten der Heidekrautfamilie. Der Landbedeckungswechsel von der Waldtundra- und Strauch-Tundra-Klasse zur Klasse des Lärchen-Waldes mit geschlossenen Blätterdach wird als eine Verdichtung des Baumbestandes interpretiert und ist in der nördlichen Taiga bemerkenswert. In der heutigen baumlosen Tundra finden wir fast keine Landbedeckungsänderungen. 
Im zweiten Projekt bestimmte ich den Gesamt-AGB-Zustand und die gesamte AGB-Veränderung für dieselben Regionen in Zentral-Chukotka. Zusätzlich zur gesamten AGB lieferte ich Schätzungen für die verschiedenen Taxa, die an den Feldstandorten vorhanden sind. Als Ergebnis lag die AGB in der Untersuchungsregion von Zentral-Tschukotka zwischen 0 kg m-2 in vegetationsarmen Gebieten und 16 kg m-2 in den Wäldern mit geschlossenem Blätterdach mit dem größten Anteil von Lärchen. Ein Vergleich der Veränderungen der AGB im Untersuchungszeitraum von 2000 bis 2016 zeigt, dass die größten Veränderungen (bis zu 1,25 kg m-2 Jahr-1) in der nördlichen Taiga und in den Gebieten auftraten, in denen sich die Landbedeckung hin zu einen Lärchenwald mit geschlossenen Blätterdach änderte. Unsere Schätzungen deuten auf einen allgemeinen Anstieg der gesamten AGB in der untersuchten Tundra-Taiga und der nördlichen Taiga hin. Im Gegensatz zeigte die Tundra innerhalb der 15 Jahre von 2002 bis 2017 keine Hinweise auf eine Veränderung der AGB. 
Im dritten Projekt wurden potenzielle zukünftige Änderungen der oberirdischen Biomasse (AGB) basierend auf den Ergebnissen von Simulationen des individuell basierten räumlich expliziten Vegetationsmodells LAVESI unter Verwendung verschiedener Klimaszenarien, abhängig von RCP (Representative Concentration Pathways) 2.6, RCP 4.5 und RCP 8.5 (mit und ohne die Temperaturminderung nach den 2300 CE), geschätzt. Die LAVESI-basierte AGB wurde für den aktuellen Zustand bis 3000 CE für Lärchen-AGB simuliert, da wir davon ausgehen, dass die bemerkenswertesten Veränderungen im Baumgrenze-Ökoton mit einer Waldausdehnung zusammenhängen. Die räumliche Verteilung und der aktuelle Zustand der Baum-AGB wurden anhand von AGB-Felddaten, aus Landsat-Satellitendaten extrahierten AGB und einem Satellitenbild mit hoher räumlicher Auflösung und dadurch sichtbaren Einzelbäumen validiert. Die Simulationsergebnisse deuten auf Unterschiede in der Baum-AGB-Dynamik in Abhängigkeit von der Entfernung zur aktuellen Baumgrenze hin. Die simulierte Baum-AGB-Dynamik stimmt mit grundlegenden ökologischen (Auswanderungs- und Sukzessions-) Prozessen überein: die simulierte Baumbestandsentwicklung fängt mit Samenverbreitung an, Schaffung des Baumbestands, Baumbestand Verdichtung und episodische Verdünnung. Unsere Ergebnisse weisen auf eine Verdichtung des bestehenden Baumbestandes im Laufe dieses Jahrhunderts hin in der Untersuchungsregion, und auf eine zeitlich verzögerte Waldverbreitung (bis zu 39% der Fläche im RCP 8.5) unter allen betrachteten Klima-Szenarien ohne Abkühlung in verschiedenen lokalen Bereichen, abhängig von der Nähe zur heutigen Baumgrenze. In Szenarien mit Abkühlung nach 2300 CE beenden die Wälder ihre Ausbreitung um 2300 CE; bis zu 10%, RCP 8.5) um dann graduell zu ihrer vor 21. Jhd. Position zurückzuweichen. 
Die gemittelten Änderungsraten der Baum AGB sind am höchsten in den ersten 300 Jahren des 21. Jahrhunderts. Die Änderungsraten hängen ab von dem RCP Szenarium, mit den höchsten Änderungsraten unter RCP 8.5, wie zu erwarten war. Insgesamt zeigt diese interdisziplinäre Arbeit eine erfolgreiche Integration von Felddaten, Satellitendaten und Modellen zur Verfolgung der aktuellen und vorhergesagten zukünftigen Vegetationsänderungen in subarktischen Gebirgsregionen. Die erzielten Ergebnisse sind einzigartig für den Schwerpunktbereich in Zentral-Tschukotka und insgesamt für Gebirgsregionen in den hohen Breiten.
T2  - Aktuelle und zukünftige Vegetationsveränderung in der Baumgrenzenregion von Chukotka (Nordost-Russland), abgeleitet aus Felddaten, Satellitendaten und Modellierung
KW  - plant ecology
KW  - vegetation change
KW  - Chukotka vegetation
KW  - above-ground biomass
KW  - land-cover classification
KW  - LAVESI
KW  - tree infilling
KW  - shrubification
KW  - subarctic vegetation change
KW  - treeline
KW  - tundra-taiga
KW  - Larix cajanderi
KW  - Vegetation von Tschukotka
KW  - oberirdische Biomasse
KW  - Klassifikation der Landbedeckung
KW  - Pflanzenökologie
KW  - Vegetationsveränderungen in der Subarktis
KW  - Waldausdehnung
KW  - Vegetationsveränderungen
KW  - Baumgrenze
KW  - Tundra-Taiga
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548452
ER  - 
TY  - THES
A1  - Serrano, Paloma
T1  - Methanogens from Siberian permafrost as models for life on Mars : response to simulated martian conditions and biosignature characterization
T1  - Methanogene Archaeen aus sibirischen Permafrost als Modelle für Leben auf dem Mars
N2  - Mars is one of the best candidates among planetary bodies for supporting life. The presence of water in the form of ice and atmospheric vapour together with the availability of biogenic elements and energy are indicators of the possibility of hosting life as we know it. The occurrence of permanently frozen ground – permafrost, is a common phenomenon on Mars and it shows multiple morphological analogies with terrestrial permafrost. Despite the extreme inhospitable conditions, highly diverse microbial communities inhabit terrestrial permafrost in large numbers. Among these are methanogenic archaea, which are anaerobic chemotrophic microorganisms that meet many of the metabolic and physiological requirements for survival on the martian subsurface. Moreover, methanogens from Siberian permafrost are extremely resistant against different types of physiological stresses as well as simulated martian thermo-physical and subsurface conditions, making them promising model organisms for potential life on Mars. The main aims of this investigation are to assess the survival of methanogenic archaea under Mars conditions, focusing on methanogens from Siberian permafrost, and to characterize their biosignatures by means of Raman spectroscopy, a powerful technology for microbial identification that will be used in the ExoMars mission. For this purpose, methanogens from Siberian permafrost and non-permafrost habitats were subjected to simulated martian desiccation by exposure to an ultra-low subfreezing temperature (-80ºC) and to Mars regolith (S-MRS and P-MRS) and atmospheric analogues. They were also exposed to different concentrations of perchlorate, a strong oxidant found in martian soils. Moreover, the biosignatures of methanogens were characterized at the single-cell level using confocal Raman microspectroscopy (CRM). The results showed survival and methane production in all methanogenic strains under simulated martian desiccation. After exposure to subfreezing temperatures, Siberian permafrost strains had a faster metabolic recovery, whereas the membranes of non-permafrost methanogens remained intact to a greater extent. The strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 from Siberian permafrost showed significantly higher methane production rates than all other strains after the exposure to martian soil and atmospheric analogues, and all strains survived the presence of perchlorate at the concentration on Mars. Furthermore, CRM analyses revealed remarkable differences in the overall chemical composition of permafrost and non-permafrost strains of methanogens, regardless of their phylogenetic relationship. The convergence of the chemical composition in non-sister permafrost strains may be the consequence of adaptations to the environment, and could explain their greater resistance compared to the non-permafrost strains. As part of this study, Raman spectroscopy was evaluated as an analytical technique for remote detection of methanogens embedded in a mineral matrix. This thesis contributes to the understanding of the survival limits of methanogenic archaea under simulated martian conditions to further assess the hypothetical existence of life similar to methanogens on the martian subsurface. In addition, the overall chemical composition of methanogens was characterized for the first time by means of confocal Raman microspectroscopy, with potential implications for astrobiological research.
N2  - Der Mars ist unter allen Planeten derjenige, der aufgrund verschiedener Faktoren am wahrscheinlichsten Leben ermöglichen kann. Das Vorhandensein von Wasser in Form von Eis und atmosphärischem Dampf zusammen mit der Verfügbarkeit biogener Elemente sowie Energie sind Indikatoren für die Möglichkeit, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das Auftreten von dauerhaft gefrorenen Böden, oder auch Permafrost, ist ein verbreitetes Phänomen auf dem Mars. Dabei zeigen sich vielfältige morphologische Analogien zum terrestrischen Permafrost. Permafrostgebiete auf der Erde, welche trotz extremer, Bedingungen durch eine große Zahl und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften besiedelt sind, sind hinsichtlich möglicher Habitate auf dem Mars die vielversprechendste Analogie. Die meisten methanogenen Archaeen sind anaerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen, die auf der Marsoberfläche viele der metabolischen und physiologischen Erfordernisse zum Überleben vorfinden. Methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sind zudem extrem resistent gegenüber unterschiedlichen Formen von physiologischem Stress sowie simulierten thermo-physikalischen Marsbedingungen. Die Hauptziele dieser Untersuchung bestehen darin, das Überleben der methanogenen Archaeen unter Marsbedingungen zu beurteilen, wobei der Fokus auf methanogenen Archaeen aus dem sibirischen Permafrost liegt, sowie deren Biosignaturen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie zu charakterisieren, einer starken Technologie zur mikrobiellen Identifikation, welche bei der ExoMars-Mission zum Einsatz kommen wird. Zu diesem Zweck wurden methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sowie aus Nicht-Permafrost-Habitaten in Simulationen Marsbedingungen ausgesetzt, wie Austrocknung durch Langzeitversuche bei ultraniedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-80ºC), Mars-analogen Mineralien (S-MRS und P-MRS) sowie einer Marsatmosphäre. Weiterhin wurden die Kulturen verschiedenen Konzentrationen von Magnesiumperchlorat, einem starken Oxidant, der im Marsboden nachgewiesenen wurde, ausgesetzt. Ferner wurden die Biosignaturen einzelner Zellen der methanogenen Archaeen mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikrospektroskopie (CRM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten für alle untersuchten methanogenen Stämme Überleben und Methanbildung, nachdem diese simulierten Austrocknungsbedingungen ausgesetzt worden waren. Nach Versuchen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zeigten die Stämme aus dem sibirischen Permafrost eine schnellere Wiederaufnahme der Stoffwechseltätigkeit, wohingegen bei den Referenzorganismen aus Nicht-Permafrost-Habitaten die Zell¬membranen im größeren Ausmaß intakt blieben. Der Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 aus dem sibirischen Permafrost zeigte nach dem Belastungstest mit Marsboden und Mars-analoger Atmosphäre signifikant höhere Methanbildungsraten. Zudem überlebten alle untersuchten Stämme die Zugabe von Magnesiumperchlorat in der entsprechenden Konzentration, die auf dem Mars vorkommt. Weiterhin konnten durch die Raman-Spektroskopie beachtliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen methanogenen Archaeen aus Permafrost- und Nicht-Permafrost-Habitaten, trotz ihrer phylogenetischen Verwandtschaft, ermittelt werden. Die Konvergenz der chemischen Zusammensetzung der Permafrost-Stämme könnte das Resultat ihrer Anpassung an die Umgebung sein, was auch die Unterschiede hinsichtlich ihrer Resistenz verglichen mit Nicht-Permafrost-Stämmen erklären könnte. Als Teil dieser Studie wurde die Raman-Spektroskopie als Analyse-Technik zur Ferndetektion von methanogenen Archaeen, welche in eine Mineral-Matrix eingebettet sind, evaluiert. Diese Dissertation trägt zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Grenzen für ein Überleben von methanogenen Archaeen unter simulierten Marsbedingungen bei und damit zu einer Beurteilung der Hypothese, ob es ähnliches Leben unter der Marsoberfläche geben könnte. Darüber hinaus wurde erstmalig die chemische Zusammensetzung von methanogenen Archaeen mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie charakterisiert. Dieser Technologie kommt eine wesentliche Bedeutung für weitere Forschungstätigkeit in der Astrobiologie zu.
KW  - Methanogene Archaeen
KW  - sibirischen Permafrost
KW  - Mars
KW  - Raman Spektroskopie
KW  - Biosignaturen
KW  - methanogenic archaea
KW  - Siberian permafrost
KW  - Mars
KW  - Raman spectroscopy
KW  - biosignatures
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72299
ER  - 
TY  - THES
A1  - Senger, Toralf
T1  - Untersuchungen zur Metallhomöostase in Arabidopsis thaliana
T1  - Investigations to study metal homeostasis in Arabidopsis thaliana
N2  - Alle Organismen sind für ihr Überleben auf Metalle angewiesen. Hierbei gibt es für jedes Metall einen Konzentrationsbereich, der das Optimum zwischen Metallmangel, -bedarf und -toxizität darstellt. Es gilt mittlerweile als erwiesen, dass alle Organismen zur Aufrechterhaltung des Metallgleichgewichts ein komplexes Netzwerk von Proteinen und niedermolekularen Verbindungen entwickelt haben. Die molekularen Komponenten dieses Netzwerks sind nur zu einem Teil bekannt und charakterisiert: In den letzten Jahren wurden einige Proteinfamilien identifiziert, deren Mitglieder Metalle durch Lipidmembranen transportieren. Eine dieser Metalltransporterfamilien ist die Cation Diffusion Facilitator (CDF)-Familie: Alle charakterisierten Mitglieder exportieren Metalle aus dem Zytoplasma – entweder in zelluläre Kompartimente oder aus der Zelle heraus. Von den zwölf Mitgliedern dieser Familie in Arabidopsis thaliana (A. thaliana) – Metall Toleranz Protein (MTP)-1 bis -12 – wurden bisher AtMTP1 und AtMTP3 charakterisiert. In dieser Arbeit wird die Charakterisierung von AtMTP2 beschrieben. Wie die homologen Proteine AtMTP1 und AtMTP3 führt AtMTP2 zu Zn-Toleranz, wenn es heterolog in Zn-sensitiven Hefemutanten exprimiert wird. Mit AtMTP2 transformierte Hefemutanten zeigten darüber hinaus erhöhte Co-Toleranz. Expression von chimären AtMTP2/GFP Fusionsproteinen in Hefe, A.thaliana protoplasten und in stabil transformierten A.thalinana Planzenlinien deutet auf Lokalisation of AtMTP2 in Membranen des Endoplasmatischen Retikulums (ER) hin, wenn GFP an den C-Terminus von MTP2 fusioniert wird. Fusion of GFP an den N-Terminus von AtMTP2 führte zu Lokalisation in der vakuolären Membran, was wahrscheinlichsten auf Fehllokalisierung durch Maskierung eines ER-Retentionsmotivs (XXRR) am N-Terminus von AtMTP2 zurückgeht. Dies legt nahe, dass AtMTP2 die erwähnten Metalle in das Endomembransystem der Zelle transportieren kann. Eine gewebespezifische Lokalisierung wurde mit Pflanzen durchgeführt, die das β-Glucuronidase (GUS)-Reporterprotein bzw. chimäre Fusionsproteine aus EGFP und AtMTP2 unter Kontrolle des nativen pMTP2-Promotors exprimierten. Diese Experimente bestätigten zum einen, dass der pMTP2-Promotor nur unter Zn-Defizienz aktiv ist. GUS-Aktivität wurde unter diesen Bedingungen in zwei Zonen der Wurzelspitze beobachtet: in den isodiametrischen Zellen der meristematischen Zone und in der beginnenden Wurzelhaarzone. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die EGFP-Fusionsproteine unter Kontrolle des nativen pMTP2-Promotors nur in epidermalen Zellen exprimiert werden. Für eine homozygote Knockout- Linie, mtp2-S3, konnte bisher kein eindeutiger Phänotyp identifiziert werden. Auf Grundlage der bisher durchgeführten Charakterisierung von AtMTP2 erscheinen zwei Modelle der Funktion von AtMTP2 in der Pflanze möglich: AtMTP2 könnte essentiell für die Versorgung des ER mit Zn unter Zn-Mangelbedingungen sein. Hierfür spricht, dass AtMTP2 in jungen, teilungsaktiven und damit Zn-benötigenden Wurzelzonen exprimiert wird. Die auf die Epidermis beschränkte Lokalisation könnte bei diesem Modell auf die Möglichkeit der zwischenzellulären Zn-Verteilung innerhalb des ER über Desmotubules hindeuten. Alternativ könnte AtMTP2 eine Funktion bei der Detoxifizierung von Zn unter Zn-Schock Bedingungen haben: Es ist bekannt, dass unter Zn- Mangelbedingungen die Expression der zellulären Zn-Aufnahmesysteme hochreguliert wird. Wenn nun die Zn-Verfügbarkeit im Boden z. B durch eine pH-Änderung innerhalb kurzer Zeit stark ansteigt, besteht die Notwendigkeit der Entgiftung von Zn innerhalb der Zelle, bis der starke Einstrom von Zn ins Zytoplasma durch die Deaktivierung der Zn-Aufnahmesysteme und einer geringeren Expression in der Pflanze gedrosselt ist. Ein ähnlicher Mechanismus wurde in der Bäckerhefe S. cerevisae beschrieben, in der darüber hinaus ein Zn-Transporter verstärkt exprimiert wird, der Zn durch Transport in die Vakuole entgiften kann. Es ist durchaus möglich, dass in Arabidopsis AtMTP2 die Zn-Detoxifizierung unter diesen speziellen Bedingungen durch Zn-Transport in das ER oder die Vakuole vermittelt. Zur Identifikation weiterer Komponenten des Metallhomöostasenetzwerks sind verschiedene Ansätze denkbar. In dieser Arbeit wurde in Hefe ein heterologer Screen durchgeführt, um Interaktoren für vier Mitglieder der Arabidopsis-CDF-Familie zu identifizieren. Unter den 11 im Hefesystem bestätigten Kandidaten befindet sich mit AtSPL1 ein AtMTP1-Interaktionskandidat, der möglicherweise eine Rolle bei der Cu-,Zn-Homöostase spielt. Als wahrscheinliche AtMTP3-Interaktionskandidaten wurde die c”-Untereinheit der vakuolären H+-ATPase AtVHA identifiziert sowie mit AtNPSN13 ein Protein, das vermutlich eine Rolle bei Fusionen von Vesikeln mit Zielmembranen spielt. Ein anderer Ansatz zur Identifikation neuer Metallhomöostasegene ist die vergleichende Elementanalyse von natürlichen oder mutagenisierten Pflanzenpopulationen. Voraussetzung für diesen Ansatz ist die schnelle und genaue Analyse des Elementgehalts von Pflanzen. Eine etablierte Methode zur simultanen Bestimmung von bis zu 65 Elementen in einer Probe ist die Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP OES). Der limitierende Faktor für einen hohen Probendurchsatz ist die Notwendigkeit, Proben für die Analyse zu verflüssigen. Eine alternative Methode der Probenzuführung zum Analysegerät ist die elektrothermale Verdampfung (ETV) der Probe. Zur weitgehend automatisierten Analyse von Pflanzenmaterial mit minimiertem Arbeitsaufwand wurde eine Methode entwickelt, die auf der Kopplung der ETV mit der ICP OES basiert.
N2  - All organisms require for their survival essential metals. For each required metal exists an optimal concentration between metal deficiency and -toxicity. It has become evident that all organisms developed a complex network of proteins and low molecular compounds to maintain the equilibrium between all metals. Only few molecular components of this metal-homeostasis network are characterized in detail: A number of protein families whose members transport metals over the barrier of lipid-membranes have been identified during the last couple of years. One of those metal-transport families is the Cation Diffusion Facilitator (CDF) family. All characterized members export metals from the cytoplasm – either into cellular compartments or outside the cell. From the 12 Arabidopsis thaliana (A.thaliana) members – Metal Tolerance Protein (MTP)-1 to 1-2 – only MTP1 and MTP3 have been characterized yet. In this work, characterization of MTP2 is described. As was found for the homologous proteins AtMTP1 and AtMTP3, heterologous expression of AtMTP2 in Zn-sensitive yeast mutants leads to enhanced Zn-tolerance. Less pronounced, enhanced tolerance was also found for Co when AtMTP2 was expressed in Co sensitive yeast mutants. Expression of chimeric AtMTP2/GFP fusion proteins in yeast, A.thaliana protoplasts and in stably transformed A.thalinana plant lines indicated localization of MTP2 in membranes of the endoplasmic reticulum, when GFP was fused to the C-terminal end of MTP2. Fusion of GFP to the N-terminal end of MTP2 lead to vacuolar localization that is most likely explained as mistargeting due to masking of an ER retrieval motive (XXRR) found at the N-terminus of MTP2. This suggests that AtMTP2 mediates the transport of Zn and Co into the endomembrane system of the cell. Tissue specific localization was performed with plant lines expressing the β-Glucuronidase (GUS) reporter protein and with plant lines expressing chimeric fusions of GFP with AtMTP2 under control of the native pMTP2 promoter. Those experiments confirmed Affymetrix Genechip® data suggesting activity of the pMTP2 promoter only under Zn-deficiency. GUS activity was only found under Zn-deficiency in two zone of root tips – the meristematic zone, characterized by isodiamtric cells, and in the beginning differentiation zone, characterized by appearing root hairs. Confocal microscopy with plant lines expressing chimeric MTP2 /GFP fusions demonstrated that expression of AtMTP2 is restricted to epidermal cells. A phenotype for the homozygous mtp2-S3 knockout mutant could not be identified yet. Based on the data obtained as yet , two mode of action of AtMTP2 in planta seam likely: AtMTP2 could be essential for delivery of Zn to the ER under Zn-deficiency. This is supported by the fact, that AtMTP2 is active in young, dividing (and therefore Zn-requiring) zones of the root. The epidermal-restricted expression of AtMTP2 points towards a distribution of Zn in these root zones of Zn within desmotubules. Alternatively, AtMTP2 could have a Zn-detoxifying function under Zn-shock. It is known that in yeast under Zn-deficiency not only the expression of an Zn-uptake transporter is up-regulated, but also the expression of a vacuolar Zn-transporter. It mediates Zn-detoxification of surplus Zn that enters cells upon Zn-resupply before shut down of the Zn uptake system. AtMTP2 could exert this function when soil Zn-availability raises suddenly, for example due to rain after a drought. Different means/methods are perceivable to identify further components of the metal homeostasis network. In this work, a heterologuos screen was performed in yeast to identify interacting proteins for four members of the Arabidopsis CDF-family. Among 11 candidates identified and confirmed in the Split Ubiquitin System (SUS, a Yeast-2-Hybrid variant) is with AtSPL1 an AtMTP1 interaction candidate, which plays putatively a role in Zn,Cu homoestasis. The c” subunit of the vacuolar H+-ATPase AtVHA was found as likely AtMTP3-interaction candidate, as well as AtNPSN13, an protein that plays putatively a role in fusion of vesicles with target-membranes. Another method to identify new metal homeostasis genes is the comparative elemental analysis of natural and mutagenized plant populations. Prerequisite for this approach is the fast and accurate analysis of the elemental composition of plants. An established method for elemental analysis is Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP OES). The limiting factor for high thoughput is the requirement for laborious wet digest of plant samples before analysis. An alternative mean of sample delivery to the ICP OES is electrothermal vaporization (ETV). For faster, less laborious analysis of plant material, a method based on the established coupling of ETV with ICP OES was developed, which is optimized for plant material and automated as far as possible.
KW  - CDF
KW  - MTP
KW  - MTP1
KW  - MTP2
KW  - MTP3
KW  - Interaktoren
KW  - Split Ubiquitin
KW  - ETV
KW  - ICP OES
KW  - CDF
KW  - MTP
KW  - MTP1
KW  - MTP2
KW  - MTP3
KW  - Interactors
KW  - Split Ubiquitin
KW  - ETV
KW  - ICP OES
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13234
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sellrie, Frank
T1  - Immuntechnologische Verfahren zum Aufbau homogener Immunoassays sowie zur Selektion Antikörper produzierender Zellen
T1  - Immunotechnological procedures for the development of homogeneous immunoassays and the selection of antibody producing cells
N2  - Homogene Immunoassays sind immunologische Testverfahren, bei deren Durchführung vollständig auf Separations- und Waschschritte verzichtet werden kann. Der Substrate Channeling Immunoassay beruht auf der Weitergabe eines Substrates in einem immunologischen Komplex aus zwei Enzymen. Das Produkt des ersten Enzyms dient dem zweiten Enzym als Substrat zur Generierung eines photometrisch nachweisbaren Produktes. Voraussetzung für diese Weitergabe ist die enge räumliche Nähe beider Enzyme. Diese Nähe wird durch eine Bindung zwischen Analyt und anti-Analyt Antikörper vermittelt. Ein solcher Substrate Channeling Immunoassay wurde unter Verwendung der Enzyme Glucoseoxidase und Peroxidase aufgebaut. Das so etablierte System war funktionstüchtig, jedoch blieb seine Sensitivität hinter der normaler, heterogener Immunoassays zurück. Die Grundlage eines Fluorescence Quenching Immunoassays ist der gegenseitige Ausschluß zweier Antikörper bei der Bindung eines Dihapten-Konjugates. Das Konjugat besteht dabei aus dem Analyten und einem Fluorophor. Die beiden um die Konjugatbindung konkurrierenden Antikörper sind ein anti-Analyt Antikörper und ein anti-Fluorophor Antikörper, der zudem über die Eigenschaft verfügt, bei Bindung des Fluorophors dessen Fluoreszenz zu löschen. Externe Gaben des freien Analyten verschieben das eingestellte Gleichgewicht in Richtung Fluorophor-Bindung und damit Fluoreszenz-Löschung. Die Änderung der Fluoreszenz ist direkt an die Konzentration des freien Analyten gekoppelt und dient zu deren Bestimmung. Ein solcher Fluorescence Quenching Immunoassays wurde für die Konzentrationsbestimmung des Herbizides Diuron etabliert. Die erreichten Sensitivitäten erlauben die praktische, immundiagnostische Anwendung des Systems. Ein Dihapten-Konjugat wurde ebenfalls zum Aufbau eines Verfahrens zur Selektion Antikörper produzierender Zellen eingesetzt. Die Selektion der Antikörper produzierenden Zellen erfolgt unter Verwendung eines Toxinkonjugates. Dieses Konjugat besteht aus einem Liganden und einem Toxin. Die Antikörperbindung des Liganden behindert sterisch die Wechselwirkung der Toxinkomponente im Konjugat mit deren Zielstruktur in oder auf der Zelle. Nur Zellen die einen geeigneten Antikörper sezernieren, überleben die Selektion und reichern sich in der Kultur an. Das Selektionsverfahren wurde erfolgreich für die Selektion von E.coli Zellen eingesetzt, die einen rekombinanten, Fluorescein bindenden Antikörper produzierten. Das hierfür synthetisierte Toxinkonjugat bestand aus Fluorescein (Ligand) und Ampicillin (Toxinkomponente). Eine Ablösung der bisher für diese Aufgabe gebräuchlichen, außerordentlich kostenintensiven, Screening Methoden wird damit möglich.
N2  - Homogeneous immunoassays are test systems which do not depend on separation steps. The substrate channeling immunoassay is based on the product/substrate transfer in an immunological complex built up by two enzymes. The product of the first enzyme functions as substrate for the second enzyme. The second enzyme generates a photometrically detectable product. The close proximity of these two enzymes is the basis of the substrate channeling. This proximity is created by antibody binding to the corresponding analyte. The enzymes glucose oxidase and peroxidase were used for the development of such an assay system. The established homogeneous immunoassay was functional. But the sensitivity of the assay was much lower than that of conventional heterogeneous immunoassays. The principle of a fluorescence quenching immunoassay is based on the fact that two antibodies exclude each other from binding to a dihapten conjugate. The conjugate consists of the analyte and the fluorophore. The two antibodies which compete for the conjugate binding are an anti-analyte antibody and an anti-fluorophore antibody. This anti-fluorophore antibody quenches the fluorescence of the fluorophore after binding. The addition of free analyte alters the equilibrium of the system so that the anti-fluorophore antibody is bound to the fluorophore and the fluorescence is quenched. The change in fluorescence is therefore an indicator of the concentration of free analyte added. A homogeneous fluorescence quenching immunoassay was established for the determination of the herbicide diuron. The sensitivities obtained allow the practical immunodiagnostic application of the system. A dihapten conjugate was also employed for the development of a selection method for antibody-producing cells. Toxin conjugates were used in this system. Each conjugate consisted of a ligand and a toxin. Antibody binding to the ligand sterically inhibits the toxin component to interact with its target structure. Only cells secreting a binding antibody will survive the selection and will accumulate in culture. The system was applied to the selection of E.coli cells producing a recombinant fluorescein-binding antibody. The toxin conjugate used in experiment consisted of fluorescein (ligand) and ampicillin (toxin component). This selection procedure allowed the isolation of recombinant antibody-producing E.coli cells. It has the potential to replace the time-consuming and labour-intensive methods used so far.
KW  - Homoger Immunoassay
KW  - Substate Channeling Immunoassay
KW  - Fluorescence Quenching Immunoassay
KW  - Selektion Antikörper-produzierender Zellen
KW  - Homogeneous immunoassay
KW  - Substrate channeling immunoassay
KW  - Fluorescence quenching immunoassay
KW  - Selection of antibody producing cells
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15982
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schütte, Moritz
T1  - Evolutionary fingerprints in genome-scale networks
T1  - Evolutionäre Spuren in genomskaligen Netzwerken
N2  - Mathematical modeling of biological phenomena has experienced increasing interest since new high-throughput technologies give access to growing amounts of molecular data. These modeling approaches are especially able to test hypotheses which are not yet experimentally accessible or guide an experimental setup. One particular attempt investigates the evolutionary dynamics responsible for today's composition of organisms. Computer simulations either propose an evolutionary mechanism and thus reproduce a recent finding or rebuild an evolutionary process in order to learn about its mechanism. The quest for evolutionary fingerprints in metabolic and gene-coexpression networks is the central topic of this cumulative thesis based on four published articles. An understanding of the actual origin of life will probably remain an insoluble problem. However, one can argue that after a first simple metabolism has evolved, the further evolution of metabolism occurred in parallel with the evolution of the sequences of the catalyzing enzymes. Indications of such a coevolution can be found when correlating the change in sequence between two enzymes with their distance on the metabolic network which is obtained from the KEGG database. We observe that there exists a small but significant correlation primarily on nearest neighbors. This indicates that enzymes catalyzing subsequent reactions tend to be descended from the same precursor. Since this correlation is relatively small one can at least assume that, if new enzymes are no "genetic children" of the previous enzymes, they certainly be descended from any of the already existing ones. Following this hypothesis, we introduce a model of enzyme-pathway coevolution. By iteratively adding enzymes, this model explores the metabolic network in a manner similar to diffusion. With implementation of an Gillespie-like algorithm we are able to introduce a tunable parameter that controls the weight of sequence similarity when choosing a new enzyme. Furthermore, this method also defines a time difference between successive evolutionary innovations in terms of a new enzyme. Overall, these simulations generate putative time-courses of the evolutionary walk on the metabolic network. By a time-series analysis, we find that the acquisition of new enzymes appears in bursts which are pronounced when the influence of the sequence similarity is higher. This behavior strongly resembles punctuated equilibrium which denotes the observation that new species tend to appear in bursts as well rather than in a gradual manner. Thus, our model helps to establish a better understanding of punctuated equilibrium giving a potential description at molecular level. From the time-courses we also extract a tentative order of new enzymes, metabolites, and even organisms. The consistence of this order with previous findings provides evidence for the validity of our approach. While the sequence of a gene is actually subject to mutations, its expression profile might also indirectly change through the evolutionary events in the cellular interplay. Gene coexpression data is simply accessible by microarray experiments and commonly illustrated using coexpression networks where genes are nodes and get linked once they show a significant coexpression. Since the large number of genes makes an illustration of the entire coexpression network difficult, clustering helps to show the network on a metalevel. Various clustering techniques already exist. However, we introduce a novel one which maintains control of the cluster sizes and thus assures proper visual inspection. An application of the method on Arabidopsis thaliana reveals that genes causing a severe phenotype often show a functional uniqueness in their network vicinity. This leads to 20 genes of so far unknown phenotype which are however suggested to be essential for plant growth. Of these, six indeed provoke such a severe phenotype, shown by mutant analysis. By an inspection of the degree distribution of the A.thaliana coexpression network, we identified two characteristics. The distribution deviates from the frequently observed power-law by a sharp truncation which follows after an over-representation of highly connected nodes. For a better understanding, we developed an evolutionary model which mimics the growth of a coexpression network by gene duplication which underlies a strong selection criterion, and slight mutational changes in the expression profile. Despite the simplicity of our assumption, we can reproduce the observed properties in A.thaliana as well as in E.coli and S.cerevisiae. The over-representation of high-degree nodes could be identified with mutually well connected genes of similar functional families: zinc fingers (PF00096), flagella, and ribosomes respectively. In conclusion, these four manuscripts demonstrate the usefulness of mathematical models and statistical tools as a source of new biological insight. While the clustering approach of gene coexpression data leads to the phenotypic characterization of so far unknown genes and thus supports genome annotation, our model approaches offer explanations for observed properties of the coexpression network and furthermore substantiate punctuated equilibrium as an evolutionary process by a deeper understanding of an underlying molecular mechanism.
N2  - Die biologische Zelle ist ein sehr kompliziertes Gebilde. Bei ihrer Betrachtung gilt es, das Zusammenspiel von Tausenden bis Millionen von Genen, Regulatoren, Proteinen oder Molekülen zu beschreiben und zu verstehen. Durch enorme Verbesserungen experimenteller Messgeräte gelingt es mittlerweile allerdings in geringer Zeit enorme Datenmengen zu messen, seien dies z.B. die Entschlüsselung eines Genoms oder die Konzentrationen der Moleküle in einer Zelle. Die Systembiologie nimmt sich dem Problem an, aus diesem Datenmeer ein quantitatives Verständnis für die Gesamtheit der Wechselwirkungen in der Zelle zu entwickeln. Dabei stellt die mathematische Modellierung und computergestützte Analyse ein eminent wichtiges Werkzeug dar, lassen sich doch am Computer in kurzer Zeit eine Vielzahl von Fällen testen und daraus Hypothesen generieren, die experimentell verifiziert werden können. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich damit, wie durch mathematische Modellierung Rückschlüsse auf die Evolution und deren Mechanismen geschlossen werden können. Dabei besteht die Arbeit aus zwei Teilen. Zum Einen wurde ein Modell entwickelt, dass die Evolution des Stoffwechsels nachbaut. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Analyse von Genexpressionsdaten, d.h. der Stärke mit der ein bestimmtes Gen in ein Protein umgewandelt, "exprimiert", wird. Der Stoffwechsel bezeichnet die Gesamtheit der chemischen Vorgänge in einem Organismus; zum Einen werden Nahrungsstoffe für den Organismus verwertbar zerlegt, zum Anderen aber auch neue Stoffe aufgebaut. Da für nahezu jede chemische Reaktion ein katalysierendes Enzym benötigt wird, ist davon auszugehen, dass sich der Stoffwechsel parallel zu den Enzymen entwickelt hat. Auf dieser Annahme basiert das entwickelte Modell zur Enzyme-Stoffwechsel-Koevolution. Von einer Anfangsmenge von Enzymen und Molekülen ausgehend, die etwa in einer primitiven Atmosphäre vorgekommen sind, werden sukzessive Enzyme und die nun katalysierbaren Reaktionen hinzugefügt, wodurch die Stoffwechselkapazität anwächst. Die Auswahl eines neuen Enzyms geschieht dabei in Abhängigkeit von der Ähnlichkeit mit bereits vorhandenen und ist so an den evolutionären Vorgang der Mutation angelehnt: je ähnlicher ein neues Enzym zu den vorhandenen ist, desto schneller kann es hinzugefügt werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Stoffwechsel die heutige Form angenommen hat. Interessant ist vor allem der zeitliche Verlauf dieser Evolution, der mittels einer Zeitreihenanalyse untersucht wird. Dabei zeigt sich, dass neue Enzyme gebündelt in Gruppen kurzer Zeitfolge auftreten, gefolgt von Intervallen relativer Stille. Dasselbe Phänomen kennt man von der Evolution neuer Arten, die ebenfalls gebündelt auftreten, und wird Punktualismus genannt. Diese Arbeit liefert somit ein besseres Verständnis dieses Phänomens durch eine Beschreibung auf molekularer Ebene. Im zweiten Projekt werden Genexpressionsdaten von Pflanzen analysiert. Einerseits geschieht dies mit einem eigens entwickelten Cluster-Algorithmus. Hier läßt sich beobachten, dass Gene mit einer ähnlichen Funktion oft auch ein ähnliches Expressionsmuster aufweisen. Das Clustering liefert einige Genkandidaten, deren Funktion bisher unbekannt war, von denen aber nun vermutet werden konnte, dass sie enorm wichtig für das Wachstum der Pflanze sind. Durch Experimente von Pflanzen mit und ohne diese Gene zeigte sich, dass sechs neuen Genen dieses essentielle Erscheinungsbild zugeordnet werden kann. Weiterhin wurden Netzwerke der Genexpressionsdaten einer Pflanze, eines Pilzes und eines Bakteriums untersucht. In diesen Netzwerken werden zwei Gene verbunden, falls sie ein sehr ähnliches Expressionsprofil aufweisen. Nun zeigten diese Netzwerke sehr ähnliche und charakteristische Eigenschaften auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein weiteres evolutionäres Modell entwickelt, das die Expressionsprofile anhand von Duplikation, Mutation und Selektion beschreibt. Obwohl das Modell auf sehr simplen Eigenschaften beruht, spiegelt es die beobachteten Eigenschaften sehr gut wider, und es läßt sich der Schluss ziehen, dass diese als Resultat der Evolution betrachtet werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind als Doktorarbeit in kumulativer Form bestehend aus vier veröffentlichten Artikeln vereinigt.
KW  - Systembiologie
KW  - Modellierung
KW  - Evolution
KW  - Stoffwechsel
KW  - Gen-Koexpression
KW  - Systems Biology
KW  - Modeling
KW  - Evolution
KW  - Metabolism
KW  - Gene co-expression
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57483
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TY  - THES
A1  - Schönheit, Jörg
T1  - A phagocyte-specific Irf8 gene enhancer establishes early conventional dendritic cell commitment
T1  - Ein Phagozyten spezifischer Enhancer des Irf8 Gens steuert die Entwicklung konventioneller dendritischer Zellen
N2  - Haematopoietic development is a complex process that is strictly hierarchically organized. Here, the phagocyte lineages are a very heterogeneous cell compartment with specialized functions in innate immunity and induction of adaptive immune responses. Their generation from a common precursor must be tightly controlled. Interference within lineage formation programs for example by mutation or change in expression levels of transcription factors (TF) is causative to leukaemia. However, the molecular mechanisms driving specification into distinct phagocytes remain poorly understood. In the present study I identify the transcription factor Interferon Regulatory Factor 8 (IRF8) as the specification factor of dendritic cell (DC) commitment in early phagocyte precursors. Employing an IRF8 reporter mouse, I showed the distinct Irf8 expression in haematopoietic lineage diversification and isolated a novel bone marrow resident progenitor which selectively differentiates into CD8α+ conventional dendritic cells (cDCs) in vivo. This progenitor strictly depends on Irf8 expression to properly establish its transcriptional DC program while suppressing a lineage-inappropriate neutrophile program. Moreover, I demonstrated that Irf8 expression during this cDC commitment-step depends on a newly discovered myeloid-specific cis-enhancer which is controlled by the haematopoietic transcription factors PU.1 and RUNX1. Interference with their binding leads to abrogation of Irf8 expression, subsequently to disturbed cell fate decisions, demonstrating the importance of these factors for proper phagocyte cell development. Collectively, these data delineate a transcriptional program establishing cDC fate choice with IRF8 in its center.
N2  - Die Differenzierung von hämatopoietischen Zellen ist ein komplexer Prozess, der strikt hierarchisch organisiert ist. Dabei stellen die Phagozyten eine sehr heterogene Zellpopulation dar, mit hochspezialisierten Funktionen im angeborenen Immunsystem sowie während der Initialisierung der adaptiven Immunreaktion. Ihre Entwicklung, ausgehend von einer gemeinsamen Vorläuferzelle, unterliegt einer strikten Kontrolle. Die Beeinträchtigung dieser Linienentscheidungsprogramme, z.B. durch Mutationen oder Änderungen der Expressionslevel von Transkriptionsfaktoren kann Leukämie auslösen. Die molekularen Mechanismen, welche die linienspezifische Entwicklung steuern, sind allerdings noch nicht im Detail bekannt. In dieser Arbeit zeige ich den maßgeblichen Einfluss des Transkriptionsfaktors Interferon Regulierender Faktor 8 (IRF8) auf die Entwicklung von dendritischen Zellen (DC) innerhalb der Phagozyten. Mittels einer IRF8-Reporter Maus stellte ich die sehr differenziellen Expressionsmuster von Irf8 in der hämatopoietischen Entwicklung dar. Dabei konnte ich eine neue, im Knochenmark lokalisierte, Vorläuferpopulation isolieren, die in vivo spezifisch Differenzierung in CD8α+ konventionelle dendritische Zellen (cDC) steuert. Dieser Vorläufer ist dabei absolut von der Expression von Irf8 abhängig und etabliert auf transkriptioneller Ebene die dendritische Zellentwicklung, während gleichzeitig die Entwicklung neutrophiler Zellen unterdrückt wird. Darüber hinaus zeigte ich, dass Irf8 Expression während der cDC Entwicklung von einem neu charakterisierten cis-regulatorischen Enhancer abhängt, der spezifisch in myeloiden Zellen agiert. Ich konnte zeigen, dass die hämatopoietischen Transkriptionfaktoren PU.1 und RUNX1 mittels dieses Enhancers die Irf8 Expression steuern. Können diese beiden Faktoren nicht mit dem Enhancer interagieren, führt das zu stark verminderter Irf8 Expression, damit zu Veränderungen in den Differnzierungsprogrammen der Zellen, was die Bedeutung dieses regulatorischen Mechanismus unterstreicht. Zusammengefasst beschreiben diese Daten die Etablierung der frühen cDC Entwicklung, in der IRF8 die zentrale Rolle spielt.
KW  - Hämatopoiese
KW  - dendritische Zelle
KW  - Immunologie
KW  - Transkiptionsfaktor
KW  - Genregulation
KW  - haematopoiesis
KW  - dendritic cell
KW  - immunology
KW  - transcription factor
KW  - gene regulation
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55482
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, Merlin
T1  - Understanding and predicting global change impacts on migratory birds
T1  - Verständnis und Vorhersage von Auswirkungen des globalen Wandels auf Zugvögel
N2  - This is a publication-based dissertation comprising three original research stud-ies (one published, one submitted and one ready for submission; status March 2019). The dissertation introduces a generic computer model as a tool to investigate the behaviour and population dynamics of animals in cyclic environments. The model is further employed for analysing how migratory birds respond to various scenarios of altered food supply under global change. Here, ecological and evolutionary time-scales are considered, as well as the biological constraints and trade-offs the individual faces, which ultimately shape response dynamics at the population level. Further, the effect of fine-scale temporal patterns in re-source supply are studied, which is challenging to achieve experimentally. My findings predict population declines, altered behavioural timing and negative carry-over effects arising in migratory birds under global change. They thus stress the need for intensified research on how ecological mechanisms are affected by global change and for effective conservation measures for migratory birds. The open-source modelling software created for this dissertation can now be used for other taxa and related research questions. Overall, this thesis improves our mechanistic understanding of the impacts of global change on migratory birds as one prerequisite to comprehend ongoing global biodiversity loss. The research results are discussed in a broader ecological and scientific context in a concluding synthesis chapter.
N2  - Dies ist eine publikationsbasierte Dissertation, welche aus drei wissenschaftlichen Originalstudien (eine publiziert, eine eingereicht und eine einreichbar; Stand März 2019) besteht. Die Dissertation stellt ein generisches Computermodell bereit, um das Verhalten und die Populationsdynamik von Tieren zu untersuchen, welche saisonale Umweltbedingungen erfahren. Mit diesem Computermodell untersuche ich in der vorliegenden Thesis, wie Zugvögel auf verschiedene Szenarien veränderter Nahrungsverfügbarkeit reagieren, welche im Rahmen des globalen Wandels wahrscheinlich sind. Dabei werden ökologische und evolutionäre Zeitskalen berücksichtigt. Außerdem werden biologisch bedingte Einschränkungen und Zielkonflikte einbezogen, welche das einzelne Individuum erfährt, die aber letztendlich auch das Geschehen auf Populationsebene bestimmen. Weiterhin studiere ich mit dem erstellten Computermodell am Beispiel des Weißstorchs, wie sich feinskalige Zeitmuster in der Nahrungsverfügbarkeit auf Zugvögel auswirken. Solche Studien würden eine enorme experimentelle Herausforderung darstellen. Die im Rahmen dieser Dissertation entstandene frei verfügbare Modellierungs-Software kann nun für andere Taxa und verwandte Forschungsfragen eingesetzt werden. Nach meinen Ergebnissen ist im Zuge des globalen Wandels mit verstärkten Populationsabnahmen bei Zugvögeln zu rechnen, sowie mit Änderungen im zeitlichen Verhaltensablauf und nichtlinearen negativen Carry-over-Effekten. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, die vom globalen Wandel betroffenen ökologischen Mechanismen näher zu erforschen sowie effektive Schutzmaßnahmen für Zugvögel zu entwickeln. Allgemein erhöht die Dissertation unser mechanistisches Verständnis davon, wie sich der globale Wandel auf bedrohte Zugvogelarten auswirkt und damit die globale Biodiversität beeinflusst. Die Forschungsergebnisse werden in einem abschließenden Synthese-Kapitel zusammenführend diskutiert.
KW  - global change
KW  - migratory birds
KW  - life-history theory
KW  - movement ecology
KW  - bird migration
KW  - optimal annual routine model
KW  - stochastic dynamic programming
KW  - full annual cycle
KW  - population dynamics
KW  - carry-over effects
KW  - white stork
KW  - behavioural ecology
KW  - adaptation
KW  - mechanistic model
KW  - energetics
KW  - behavioural timing
KW  - reproduction
KW  - globaler Wandel
KW  - Zugvögel
KW  - Lebenszyklustheorie
KW  - Bewegungsökologie
KW  - Vogelzug
KW  - "Optimal annual routine"-Modell
KW  - stochastisch-dynamische Optimierung
KW  - vollständiger Jahreszyklus
KW  - Populationsdynamik
KW  - Carry-over-Effekte
KW  - Weißstorch
KW  - Verhaltensökologie
KW  - Anpassung
KW  - mechanistisches Modell
KW  - Energetik
KW  - Verhaltens-Timing
KW  - Reproduktion
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439256
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TY  - THES
A1  - Schäfer, Marjänn Helena
T1  - Untersuchungen zur Evolution der 15-Lipoxygenase (ALOX15) bei Säugetieren und funktionelle Charakterisierung von Knock-in-Mäusen mit humanisierter Reaktionsspezifität der 15-Lipoxygenase-2 (Alox15b)
T1  - Studies on the evolution of 15-lipoxygenase (ALOX15) in mammals and functional characterization of Knock-in mice with humanized reaction specificity of 15-lipoxygenase-2 (Alox15b)
N2  - Arachidonsäurelipoxygenasen (ALOX-Isoformen) sind Lipid-peroxidierenden Enzyme, die bei der Zelldifferenzierung und bei der Pathogenese verschiedener Erkrankungen bedeutsam sind. Im menschlichen Genom gibt es sechs funktionelle ALOX-Gene, die als Einzelkopiegene vorliegen. Für jedes humane ALOX-Gen gibt es ein orthologes Mausgen. Obwohl sich die sechs humanen ALOX-Isoformen strukturell sehr ähnlich sind, unterscheiden sich ihre funktionellen Eigenschaften deutlich voneinander. In der vorliegenden Arbeit wurden vier unterschiedliche Fragestellungen zum Vorkommen, zur biologischen Rolle und zur Evolutionsabhängigkeit der enzymatischen Eigenschaften von Säugetier-ALOX-Isoformen untersucht:
1) Spitzhörnchen (Tupaiidae) sind evolutionär näher mit dem Menschen verwandt als Nagetiere und wurden deshalb als Alternativmodelle für die Untersuchung menschlicher Erkrankungen vorgeschlagen. In dieser Arbeit wurde erstmals der Arachidonsäurestoffwechsel von Spitzhörnchen untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass im Genom von Tupaia belangeri vier unterschiedliche ALOX15-Gene vorkommen und die Enzyme sich hinsichtlich ihrer katalytischen Eigenschaften ähneln. Diese genomische Vielfalt, die weder beim Menschen noch bei Mäusen vorhanden ist, erschwert die funktionellen Untersuchungen zur biologischen Rolle des ALOX15-Weges. Damit scheint Tupaia belangeri kein geeigneteres Tiermodel für die Untersuchung des ALOX15-Weges des Menschen zu sein. 
2) Entsprechend der Evolutionshypothese können Säugetier-ALOX15-Orthologe in Arachidonsäure-12-lipoxygenierende- und Arachidonsäure-15-lipoxygenierende Enzyme eingeteilt werden. Dabei exprimieren Säugetierspezies, die einen höheren Evolutionsgrad als Gibbons aufweisen, Arachidonsäure-15-lipoxygenierende ALOX15-Orthologe, während evolutionär weniger weit entwickelte Säugetiere Arachidonsäure-12 lipoxygenierende Enzyme besitzen. In dieser Arbeit wurden elf neue ALOX15-Orthologe als rekombinante Proteine exprimiert und funktionell charakterisiert. Die erhaltenen Ergebnisse fügen sich widerspruchsfrei in die Evolutionshypothese ein und verbreitern deren experimentelle Basis. Die experimentellen Daten bestätigen auch das Triadenkonzept. 
3) Da humane und murine ALOX15B-Orthologe unterschiedliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, können Ergebnisse aus murinen Krankheitsmodellen zur biologischen Rolle der ALOX15B nicht direkt auf den Menschen übertragen werden. Um die ALOX15B-Orthologen von Maus und Mensch funktionell einander anzugleichen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Knock-in Mäuse durch die In vivo Mutagenese mittels CRISPR/Cas9-Technik hergestellt. Diese exprimieren eine humanisierte Mutante (Doppelmutation von Tyrosin603Asparaginsäure+Histidin604Valin) der murinen Alox15b. Diese Mäuse waren lebens- und fortpflanzungsfähig, zeigten aber geschlechtsspezifische Unterschiede zu ausgekreuzten Wildtyp-Kontrolltieren im Rahmen ihre Individualentwicklung.
4) In vorhergehenden Untersuchungen zur Rolle der ALOX15B in Rahmen der Entzündungsreaktion wurde eine antiinflammatorische Wirkung des Enzyms postuliert. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob eine Humanisierung der murinen Alox15b die Entzündungsreaktion in zwei verschiedenen murinen Entzündungsmodellen beeinflusst. Eine Humanisierung der murinen Alox15b führte zu einer verstärkten Ausbildung von Entzündungssymptomen im induzierten Dextran-Natrium-Sulfat-Kolitismodell. Im Gegensatz dazu bewirkte die Humanisierung der Alox15b eine Abschwächung der Entzündungssymptome im Freund‘schen Adjuvans Pfotenödemmodell. Diese Daten deuten darauf hin, dass sich die Rolle der ALOX15B in verschiedenen Entzündungsmodellen unterscheidet.
N2  - Arachidonic acid lipoxygenases (ALOX-isoforms) are lipid peroxidizing enzymes that have been implicated in cell differentiation and in the pathogenesis of different diseases. In the human genome six different ALOX genes have been identified and all of them occur as single copy genes. For each human ALOX gene an ortholog exists in the mouse genome. Although human and mouse ALOX orthologs share a high degree of structural similarity ALOX15 and ALOX15B orthologs exhibit distinct functional characteristics. In the present study addressed four different questions on the occurrence, the biological role and enzyme evolution of mammalian ALOX15 and ALOX15B orthologs.
	1) Tupaiidae are more closely related to humans than rodents and therefore these mammals have frequently been suggested as better animal models than mice for investigations into patho-physiological basis of human diseases. This work explored for the first time the arachidonic acid metabolism of a Tupaiidae representative (Tupaia belangeri) and found that this mammal carries four distinct ALOX15 genes in its genome. The enzymes encoded by these four genes share a high degree of functional similarity but the observed genomic multiplicity, which is neither present in mice nor in humans, makes studies into the biological role of ALOX15 orthologs more complex. Thus, Tupaia belangeri is not more suitable than mice for investigations into the biological role of mammalian ALOX15 orthologs since loss-of-function studies on one ALOX15 ortholog may easily be compensated by upregulation of an orthologous gene.
	2) According to the Evolutionary Hypothesis mammalian ALOX15 orthologs can be subdivided into arachidonic acid 12-lipoxygenating and arachidonic acid 15-lipoxygenating enzymes. Mammalian species, which are ranked above gibbons express arachidonic acid 15 lipoxygenating ALOX15 orthologs. In contrast mammals ranked below gibbons express arachidonic acid 12-lipoxygenating enzymes. In this study the ALOX15 orthologs of eleven different mammals expressed as recombinant proteins and characterized their functional properties. The results of these experiments were consistent with the Evolutionary Hypothesis and put this theory on a broader experimental basis. Moreover, the obtained in vitro mutagenesis data indicate that the novel enzymes follow Triad Concept.
3) Since human and mouse ALOX15B orthologs exhibit different functional properties, conclusion drawn in mouse models of human diseases may be misleading. To make human and mouse ALOX15B orthologs more like each other were generated Alox15b knock-in mice, which express the humanized Tyr603Asp+His604Val double mutant of mouse Alox15b instead of the endogenous wildtype enzyme employing the CRISPR/Cas9 in vivo mutagenesis strategy. These Alox15b-KI mice are viable, reproduce normally but exhibit gender-specific differences to outbred wildtype control animals when the bodyweight kinetics during adolescence and early adulthood were followed. 
	4) In previous studies an anti-inflammatory role of ALOX15B in the pathogenesis of inflammation has been suggested. Here we explored whether functional humanization of mouse Alox15b impacts the severity of inflammatory symptoms in two mouse inflammation models. In the dextran-sodium sulfate colitis model humanization of mouse Alox15b induced more severe inflammatory symptoms. In contrast, humanization of this enzyme protected mice in the Freund’s complete adjuvants induced paw edema model. Taken together, these data suggest that the patho-physiological roles of Alox15b may vary depending on the type of the animal inflammation model used.
KW  - Lipoxygenase
KW  - ALOX15B
KW  - Knock in Mäuse
KW  - enzymatische Reaktionsspezifität
KW  - Tupaia belangeri
KW  - DSS-Colitis
KW  - Pfotenödem Mausmodell
KW  - mammalian ALOX15 orthologs
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620340
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TY  - THES
A1  - Schäfer, Arne
T1  - Characterization of ammoniumtransporters in Arabidopsis thaliana
T1  - Charakterisierung der Ammoniumtransporter in Arabidopsis thaliana
N2  - Nitrogen is often a limiting factor for plant growth due to its heterogenous distribution in the soil and to seasonal and diurnal changes in growth rates. In most soils, NH4+ and NO3 – are the predominant sources of inorganic nitrogen that are available for plant nutrition. In this context, plants have evolved mechanisms that enable them to optimize nitrogen acquisition, which include transporters specialized in the uptake of nitrogen and susceptible to a regulation that responds to nitrogen limiting or excess conditions. Although the average NH4+ concentrations of soils are generally 100 to 1000 times lower than those of NO3 – (Marschner, 1995), most plants preferentially take up NH4+ when both forms are present because unlike NO3– , NH4+ has not to be reduced prior to assimilation and thus requires less energy for assimilation (Bloom et al., 1992). Apart from high uptake rates in roots, high intracellular ammonium concentrations also result from quantitatively important internal breakdown of amino acids (Feng et al., 1998), and originates in high quantities during photorespiration (Mattson et al., 1997, Pearson et al., 1998). Thus, NH4+ is a key component of nitrogen metabolism for all plants and can accumulate to varying concentrations in all compartments of the cell, including the cytosol, the vacuole and in the apoplast (Wells and Miller, 2000; Nielsen and Schjoerring, 1998). Two related families of ammonium transporters (AMT1 and AMT2), containing six genes which encode transporter proteins that are specific for ammonium had been identified prior to this thesis and some genes had partially been characterised in Arabidopsis (Gazzarrini et al., 1999; Sohlenkamp et al. 2002; Kaiser et al., 2002). However, these studies were not sufficient to assign physiological functions to the individual transporters and AMT1.4 and AMT1.5 had not been studied prior to this thesis. Given this background, it was considered desirable to acquire a deeper knowledge of the physiological functions of the six Arabidopsis ammonium transporters. To this end, tissue specific expression profiles of the individual wildtype AtAMT genes were performed by quantitative real time PCR (qRT-PCR) and promoter-GUS expression. Modern approaches such as the use of T-DNA insertional mutants and RNAi hairpin constructs were employed to reduce the expression levels of AMT genes. Transcript levels were determined, and physiological, biochemical and developmental analysis such as growth tests on different media and 14C-MA and NH4+ uptake studies with the isolated insertional mutants and RNAi lines were performed to deepen the knowledge of the individual functions of the six AMTs in Arabidopsis. In addition, double mutants of the insertional mutants were created to investigate the extent in which homologous genes could compensate for lost transporter functions. The results described in this thesis show that the six AtAMT genes display a high degree of specifity in their tissue specific expression and are likely to play complementary roles in ammonium uptake into roots, in shoots, and in flowers. AtAMT1.1 is likely to be a ‘work horse’ for cellular ammonium transport and reassimilation. A major role is probably the recapture of photorespiratory NH3/NH4+ escaping from the cytosol. In roots, it is likely to transport NH4+ from the apoplast into cortical cells. AtAMT1.3 and AtAMT1.5 appear to be specialised in the acquisition of external NH4+ from the soil. Furthermore, AtAMT1.5 plays an additional role in the reassimilation of NH3/NH4+ released during the breakdown of storage proteins in the cotyledons of germinating seedlings. It was difficult to distinguish a specialisation between the transporters AtAMt1.2 and AtAMt1.1, however the root and flower specific expression patterns are different and indicate alternative functions of both. AtAMT1.4 has a very distinct expression which is restricted to the vascular bundels of leaves and to pollen only, where it is likely to be involved in the loading of NH4+ into the cells.The AtAMT2.1 expression pattern is confined to vascular bundels and meristematic active tissues in leaves where ammonium concentrations can reach very high levels. Additionally, the Vmax of AtAMT2 increases with increasing external pH, contrasting to AtAMT1.1. Thus, AtAMT2.1 it might be specialised in ammonium transport in ammonium rich environments, where the functions of other transporters are limited, enabling cells to take up NH4+ over a wide range of concentrations. The root hair expression ascribes an additional role in NH3/NH4+ acquisition where it possibly serves as a transporter that is able to acquire ammonium from basic soils where other transporters become less effective.RNAi lines showing a reduction in AtAMT gene mRNA levels and NH4+ transport kinetics, grew slower and flowering time was delayed. This indicates that NH4+ is a crucial and limiting factor for plant growth.
N2  - Ammonium stellt die von Pflanzen bevorzugte Aufnahmeform anorganischen Stickstoffes dar. Neben dem natürlichen Vorkommen im Boden, wird Ammonium während des Aminosäurestoffwechsels und der Photorespiration innerhalb des Pflanzenkörpers freigesetzt. Um Ammonium aus diesen Quellen zu assimlieren und zwischen den einzelnen Zellen zu transportieren hat die dikotyle Samenpflanze Arabidosis thaliana sechs veschiedene Ammoniumtransporter (AMT) evolviert. Zur Charakterisierung der spezifischen Funktionen der AMts wurden Expressionsprofile der jeweiligen Gene innerhalb der Wurzeln, des Sprosses und der Blüten unter verschiedenen Nährstoffbedingungen mittels quantitativer real-time PCR (qRT-PCT) und Promotor-GUS Expression erstellt. Weiter wurde die Fähigkeit zur spezifischen Regulation der einzelnen Transportergene in Abhängikeit des Stickstoffbedarfes der Pflanze analysiert. Zur Reduktion der mRNA Level der AMTs wurden RNA-Interferenz (RNAi) Mutanten erzeugt und um den Effekt des Verlustes einzelner AMTs zu studieren wurden T-DNA Insertionsmutanten dieser Gene isoliert. Von den mutanten Linien wurden die Transkriptionsraten durch qRT-PCR bestimmt und die NH4+ Transportleistungen durch 14C-Methylammonium (14C-MA) und Ammonium-Aufnahme Experimente analysiert. Weiter wurden Wachstumsanalysen der Mutanten auf verschiedenen Nährmedien durchgeführt und ihre vegetative und generative Entwicklung charakterisiert. Von den isolierten T-DNA Insertionsmutanten wurden Doppelmutanten aller Kombinationen hergestellt und phänotypisch analysiert.Es zeigte sich, daß der an der Plasmamembran lokalisierte AtAMT1.1 in allen Organen in hohen Konzentrationen exprimiert wird und unter Stickstoffmangelbedingungen vermehrt gebildet wird. Vermutlich dient er der generellen Assimilation von internen Ammonium und dessen Transport vom Apoplasten in den Symplasten. AtAMT1.3 und AtAMT1.5 sind in den Wurzeln und hier besonders in den epidermalen Wurzelhaaren exprimiert, die unter anderem der Aufnahme externer Nährsalze dienen. Beide unterliegen starker Regulation durch den internen Stickstoffbedarf der Pflanze. Es ist zu vermuten, daß sie primär der Aufnahme von Ammonium aus dem Boden dienen. AtAMT1.2 wird überwiegend an den vaskulären Geweben und den Blattparenchymzellen exprimiert. Überlappende Expressionsmuster mit AtAMT1.1 machen es schwierig eine spezifische Funktion zu identifizieren. AtAMT1.4 wird ausschließlich im männlichen Gametophyten exprimiert und dient hier vermutlich der Versorgung des Pollen mit Nährsalzen. AtAMT2 wird u.a. in den Wurzelhaaren exprimiert. Seine steigende Affinität zu Ammonium in basischem Milieu, umgekehrt zu AtAMT1.1, läßt vermuten, daß er der Pflanze die Ammoniumaufnahme bei steigendem pH ermöglicht. Im oberirdischen Sproß ist er überwiegend in Meristemen aktiv. Die in der Ammoniumaufnahme beeinträchtigten RNAi-Linien zeigten langsames Wachstum und blühten später als der Wildtyp. Es sind die ersten beschriebenen Ammoniumtransportermutanten, die einen solchen Phänotyp zeigen.
KW  - Ammonium
KW  - Ammoniumassimilation
KW  - Pflanzenernährung
KW  - Ammonium
KW  - Ammoniumtransporter
KW  - AMT
KW  - AtAMT1.1
KW  - AtAMT1.2
KW  - AtAMT1.3
KW  - AtAMT1.4
KW  - AtAMT1.5
KW  - ÁtAMT2
KW  - ammonium
KW  - ammoniumtransporter
KW  - AMT
KW  - AtAMT1.1
KW  - AtAMT1.2
KW  - AtAMT1.3
KW  - AtAMT1.4
KW  - AtAMT1.5
KW  - ÁtAMT2
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5937
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwonbeck, Susanne
T1  - Analyse von Single Nucleotide Polymorphisms an Glas-Oberflächen
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer SNP-Genotypisierungsmethode mit auf Mikroarrays immobilisierten PCR-Produkten. Für die Analyse wurde ein faseroptischer Affinitätssensor bzw. ein Durchfluss-Biochip-Scanner mit integrierter Fluoreszenzdetektion verwendet. An den immobilisierten Analyten (PCR-Produkten) wurde eine Fluoreszenzoligonukleotidsonde hybridisiert und anschließend die Dissoziation der Sonde im Fluss verfolgt. Die Diskriminierung von Wildtyp- und Mutanten-DNA erfolgte durch die kinetische Auswertung der Dissoziationskurven sowie durch die Analyse der Fluoreszenzintensität.   Die Versuche am faseroptischen Affinitätssensor zeigten, dass DNA-DNA-Hybride sowohl von Oligonukleotiden als auch von PCR-Produkten ein typisches Dissoziationsverhalten aufweisen, wobei fehlgepaarte Hybride eine signifikant schnellere Dissoziation zeigen als perfekt passende Hybride. Dieser Geschwindigkeitsunterschied lässt sich durch den Vergleich der jeweiligen kinetischen Geschwindigkeitskonstanten kD quantitativ erfassen.  Da die Kopplung des Analyten an der Chipoberfläche sowie die Hybridisierungs- und Dissoziationsparameter essentiell für die Methodenentwicklung war, wurden die Parameter für ein optimales Spotting und die Immobilisierung von PCR-Produkten ermittelt. Getestet wurden die affine Kopplung von biotinylierten PCR-Produkten an Streptavidin-, Avidin- und NeutrAvidin-Oberflächen sowie die kovalente Bindung von phosphorylierten Amplifikaten mit der EDC/Methylimidazol-Methode. Die besten Ergebnisse sowohl in Spotform und -homogenität als auch im Signal/Rausch-Verhältnis wurden an NeutrAvidin-Oberflächen erreicht.  Für die Etablierung der Mikroarray-Genotypisierungsmethode durch kinetische Analyse nach einem Hybridisierungsexperiment wurden Sondenlänge, Puffersystem, Spotting-Konzentration des Analyten sowie Temperatur optimiert. Das Analysensystem erlaubte es, PCR-Produkte mit einer Konzentration von 250 ng/µl in einem HEPES-EDTA-NaCl-Puffer auf mit NeutrAvidin beschichtete Glasträger zu spotten. In den anschließenden Hybridisierungs- und Dissoziationsexperimenten bei 30 °C konnte die Diskriminierung von homocygoter Wildtyp- und homocygoter Mutanten- sowie heterocygoter DNA am Beispiel von Oligonukleotid-Hybriden erreicht werden.  In einer Gruppe von 24 homocygoten Patienten wurde ein Polymorphismus im SULT1A1-Gen analysiert. Sowohl durch kinetische Auswertung als auch mit der Analyse der Fluoreszenzintensität wurde der Genotyp der Proben identifiziert. Die Ergebnisse wurden mit dem Referenzverfahren, der Restriktionschnittstellenanalyse (PCR-RFLP) validiert. Lediglich ein Genotyp wurde falsch bestimmt, die Genauigkeit lag bei 96%.  In einer Gruppe von 44 Patienten wurde der Genotyp eines SNP in der Adiponectin-Promotor-Region untersucht. Nach Vergleich der Analysenergebnisse mit denen eines Referenzverfahrens konnten lediglich 14 der untersuchten Genotypen bestätigt werden. Ursache für die unzureichende Genauigkeit der Methode war vor allem das schlechte Signal/Rausch-Verhältnis.  Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das in dieser Arbeit entwickelte Analysesystem für die Genotypisierung von Einzelpunktmutationen geeignet ist, homocygote Patientenproben zuverlässig zu analysieren. Prinzipiell ist das auch bei heterocygoter DNA möglich. Da nach aktuellem Kenntnisstand eine SNP-Analysemethode an immobilisierten PCR-Produkten noch nicht veröffentlicht wurde, stellt das hier entwickelte Verfahren eine Alternative zu bisher bekannten Mikroarray-Verfahren dar. Als besonders vorteilhaft erweist sich der reverse Ansatz der Methode.  Der hier vorgestellte Ansatz ist eine kostengünstigere und weniger hoch dimensionierte Lösung für Fragestellungen beispielsweise in der Ernährungswissenschaft, bei denen meist eine mittlere Anzahl Patienten auf nur einige wenige SNPs zu untersuchen ist. Wenn es gelingt, durch die Weiterentwicklung der Hardware bzw. weiterer Optimierung, eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses und damit die Diskriminierung von heterocygoter DNA zu erreichen, kann diese Methode zukünftig bei der Analyse von mittelgroßen Patientengruppen alternativ zu anderen Genotypisierungsmethoden verwendet werden.
N2  - The aim of this thesis was the development of a SNP genotyping method involving PCR products immobilised on microarrays. For the analysis a fibre optic affinity biosensor and a flow-through biochip scanner were used. Fluorescent probes were hybridized with the immobilised PCR products. In order to start the dissociation process the surface was rinsed with buffer and the fluorescence intensity was measured.  Two different cases were studied: First, the full-matched DNA hybrid (wildtyp single strand with complementary wildtype single strand), second the mis-matched hybrid (wildtype single strand and mutant single strand). After determinating the reaction rates (kD) as kinetic parameter the kD values of both cases were compared. The experiments showed a significant difference in the kD value of the full- and the mis-match hybrids. Therefore, mutant and wildtype DNA were discriminated by kinetic analysis of the dissociation process and analysis of the fluorescence intensity.  To set up the complete analysis process the reaction parameters like coupling of the PCR products had to be optimised. Both affininty coupled (streptavidin, neutravidin, avidin - biotin) and covalent methods (EDC/methylimidazol) were carried out. Best results in spot homogeinity and spot appearance were obtained with coupling of biotinylated PCR products on neutravidin coated chip surfaces. Additionally, the length of the probe, the spotting concentration, the spotting buffer and the reaction temperature were optimised. In the optimised analysis PCR products (250 µg/µl) were spotted onto neutravidin coated surfaces. The hybridisation  and dissociation processes were carried out at 30°C. A HEPES-EDTA-NaCl buffer was used for spotting, diluting of the fluorescent probe and rinsing the microarray surface. A fluorescent probe was used with 13 nucleotides in length. The mis- or full-matching base indicating the polymorphism was located in the center position of the probe.  The analysis system was tested with the genomic DNA of a group of 24 homocygote individuals with a SNP in the SULT1A1 gene region. The hybridisation and dissociation processes were carried out and the reaction rates were determinated. Subsequently after the analysis in the flow-through biochip scanner the fluorescence intensity of the  spots were measured. The results showed very good comparability with results of a PCR-RFLP analysis (one false genotype). Additionally, a group of 44 heterocygote DNA samples with one SNP in the adiponectin promotor region were also genotyped. Compared to a reference method only 14 genotypes were correctly determined. This was mostly due to a low signal-noise-ratio and needs to be further investigated.  Besides the problem in analysing heterocygote DNA samples the developed analysis system is very useful for genotyping SNP in homocygote DNA samples. The successful analysis of heterocygote sample is principally possible and with further investigations/optimisation, a better analysis should be possible.  The most important advantage of the developed method is the reverse approach of binding PCR products at the surface instead of oligonucleotides. This allows the parallel genotyping of several individuals. Other advantages include low costs and medium sized dimensions in terms of throughput.
KW  - Einzelbasenaustausch
KW  - SNP
KW  - Mikrochip
KW  - DNA-Chip
KW  - SULT1A1
KW  - Adiponectin
KW  - kinetische Analyse
KW  - Dissoziation
KW  - Durchfluß-Biochip-Scanner
KW  - Fließsystem
KW  - single nucleotide polymorphisms
KW  - SNP
KW  - microarray
KW  - DNA
KW  - kinetic analysis
KW  - dissociation
KW  - SULT1A1
KW  - flow-through biochip scanner
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001853
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwahn, Kevin
T1  - Data driven approaches to infer the regulatory mechanism shaping and constraining levels of metabolites in metabolic networks
T1  - Entwicklung von datengestützten Verfahren, um regulatorischen Mechanismen zu untersuchen, die die Metabolitmengen in Stoffwechselnetzwerken beeinflussen
N2  - Systems biology aims at investigating biological systems in its entirety by gathering and analyzing large-scale data sets about the underlying components. Computational systems biology approaches use these large-scale data sets to create models at different scales and cellular levels. In addition, it is concerned with generating and testing hypotheses about biological processes. However, such approaches are inevitably leading to computational challenges due to the high dimensionality of the data and the differences in the dimension of data from different cellular layers.

This thesis focuses on the investigation and development of computational approaches to analyze metabolite profiles in the context of cellular networks. This leads to determining what aspects of the network functionality are reflected in the metabolite levels. With these methods at hand, this thesis aims to answer three questions: (1) how observability of biological systems is manifested in metabolite profiles and if it can be used for phenotypical comparisons; (2) how to identify couplings of reaction rates from metabolic profiles alone; and (3) which regulatory mechanism that affect metabolite levels can be distinguished by integrating transcriptomics and metabolomics read-outs.

I showed that sensor metabolites, identified by an approach from observability theory, are more correlated to each other than non-sensors. The greater correlations between sensor metabolites were detected both with publicly available metabolite profiles and synthetic data simulated from a medium-scale kinetic model. I demonstrated through robustness analysis that correlation was due to the position of the sensor metabolites in the network and persisted irrespectively of the experimental conditions. Sensor metabolites are therefore potential candidates for phenotypical comparisons between conditions through targeted metabolic analysis.

Furthermore, I demonstrated that the coupling of metabolic reaction rates can be investigated from a purely data-driven perspective, assuming that metabolic reactions can be described by mass action kinetics. Employing metabolite profiles from domesticated and wild wheat and tomato species, I showed that the process of domestication is associated with a loss of regulatory control on the level of reaction rate coupling. I also found that the same metabolic pathways in Arabidopsis thaliana and Escherichia coli exhibit differences in the number of reaction rate couplings.

I designed a novel method for the identification and categorization of transcriptional effects on metabolism by combining data on gene expression and metabolite levels. The approach determines the partial correlation of metabolites with control by the principal components of the transcript levels. The principle components contain the majority of the transcriptomic information allowing to partial out the effect of the transcriptional layer from the metabolite profiles. Depending whether the correlation between metabolites persists upon controlling for the effect of the transcriptional layer, the approach allows us to group metabolite pairs into being associated due to post-transcriptional or transcriptional regulation, respectively. I showed that the classification of metabolite pairs into those that are associated due to transcriptional or post-transcriptional regulation are in agreement with existing literature and findings from a Bayesian inference approach.

The approaches developed, implemented, and investigated in this thesis open novel ways to jointly study metabolomics and transcriptomics data as well as to place metabolic profiles in the network context. The results from these approaches have the potential to provide further insights into the regulatory machinery in a biological system.
N2  - Die System Biologie ist auf die Auswertung biologischer Systeme in ihrer Gesamtheit gerichtet. Dies geschieht durch das Sammeln und analysieren von großen Datensätzen der zugrundeliegenden Komponenten der Systeme. Computergestützte systembiologische Ansätze verwenden diese großen Datensätze, um Modelle zu erstellen und Hypothesen über biologische Prozesse auf verschiedenen zellularen Ebenen zu testen. Diese Ansätze führen jedoch unweigerlich zu rechnerischen Herausforderungen, da die Daten über eine hohe Dimensionalität verfügen. Des Weiteren weisen Daten, die von verschiedenen zellulären Ebenen gewonnen werden, unterschiedliche Dimensionen auf.

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung von rechnergestützten Ansätzen, um Metabolit-Profile im Zusammenhang von zellulären Netzwerken zu analysieren und um zu bestimmen, welche Aspekte der Netzwerkfunktionalität sich in den Metabolit-Messungen widerspiegeln. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die folgenden Fragen, unter Berücksichtigung der genannten Methoden, zu beantworten: (1) Wie ist die Beobachtbarkeit von biologischen Systemen in Metabolit-Profilen manifestiert und sind diese für phänotypische Vergleiche verwendbar? (2) Wie lässt sich die Kopplung von Reaktionsraten ausschließlich durch Metabolit-Profile identifizieren? (3) Welche regulatorischen Mechanismen, die Metabolit-Niveaus beeinflussen, sind unterscheidbar, wenn transkriptomische und metabolische Daten kombiniert werden?

Ich konnte darlegen, dass Sensormetabolite, die durch eine Methode „observability theory“ identifiziert wurden, stärker korrelieren als Nicht-Sensoren. Die stärkere Korrelation zwischen Sensormetaboliten konnte mit öffentlich zugänglichen Daten, als auch mit synthetischen Daten aus einer Simulation mit einem mittelgroßen kinetischen Modell gezeigt werden. Durch eine Robustheitsanalyse war es mir möglich zu demonstrieren, dass die Korrelation auf die Position der Sensormetabolite im Netzwerk zurückzuführen und unabhängig von den experimentellen Bedingungen ist. Sensormetabolite sind daher geeignete Kandidaten für phänotypische Vergleiche zwischen verschiedenen Bedingungen durch gezielte metabolische Analysen.

Des Weiteren ergaben meine Untersuchungen, dass die Auswertung der Kopplung von Stoffwechselreaktionsraten von einer ausschließlich datengestützten Perspektive möglich ist. Dabei muss die Annahme getroffen werden, dass Stoffwechselreaktionen mit dem Massenwirkungsgesetz beschreibbar sind. Ich konnte zeigen, dass der Züchtungsprozess mit einem Verlust der regulatorischen Kontrolle auf der Ebene der gekoppelten Reaktionsraten einhergeht. Dazu verwendete ich Metabolit-Profile von gezüchteten, als auch wilden Weizen- und Tomatenspezies. Meine Ergebnisse belegen, dass die selben Stoffwechselwege in Arabidopsis thaliana und Escherichia coli eine unterschiedliche Anzahl an gekoppelten Reaktionsraten aufweisen.

Darüber hinaus habe ich eine neue Methode zur Identifizierung und Kategorisierung von transkriptionellen Effekten auf den Metabolismus entwickelt. Dies erfolgt durch die Kombination von Genexpressionsdaten und Messungen von Metaboliten. Die Methode ermittelt die partielle Korrelation zwischen Metaboliten, wobei die Hauptkomponenten der Transkriptdaten als Kontrollvariablen dienen. Dadurch kann der Einfluss der Transkription auf Metabolit-Profile herausgerechnet werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Einteilung von Metabolitpaaren in assoziiert durch transkriptionelle oder assoziiert durch posttranskriptionelle Regulation. Die Einteilung ist abhängig davon, ob die Korrelation zwischen Metaboliten bestehen bleibt, wenn für den Einfluss der Transkription kontrolliert wird. Ich konnte nachweisen, dass die zuvor genannten Klassifizierungen von Metabolitpaaren mit existierender Literatur und den Ergebnissen einer auf bayessche Statistik basierenden Studie übereinstimmen.

Die Methoden, die in dieser Doktorarbeit entwickelt, implementiert und untersucht wurden, öffnen neue Wege um metabolische und transkriptomische Daten gemeinsam auszuwerten. Sie erlauben Metabolit-Profile in den Kontext von metabolischen Netzwerken zu stellen. Die Ergebnisse haben das Potential uns weitere Einblicke in die regulatorische Maschinerie in biologischen Systemen zu gewähren.
KW  - systems biology
KW  - metabolomics
KW  - metabolites
KW  - Systembiologie
KW  - Metabolomik
KW  - Metabolite
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423240
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwager, Monika
T1  - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments
T1  - Klimawandel, variable Koloniegrößen und zeitliche Autokorrelation : Leben in einer variablen Umwelt
N2  - Natural and human induced environmental changes affect populations at different time scales. If they occur in a spatial heterogeneous way, they cause spatial variation in abundance. In this thesis I addressed three topics, all related to the question, how environmental changes influence population dynamics. In the first part, I analysed the effect of positive temporal autocorrelation in environmental noise on the extinction risk of a population, using a simple population model. The effect of autocorrelation depended on the magnitude of the effect of single catastrophic events of bad environmental conditions on a population. If a population was threatened by extinction only, when bad conditions occurred repeatedly, positive autocorrelation increased extinction risk. If a population could become extinct, even if bad conditions occurred only once, positive autocorrelation decreased extinction risk. These opposing effects could be explained by two features of an autocorrelated time series. On the one hand, positive autocorrelation increased the probability of series of bad environmental conditions, implying a negative effect on populations. On the other hand, aggregation of bad years also implied longer periods with relatively good conditions. Therefore, for a given time period, the overall probability of occurrence of at least one extremely bad year was reduced in autocorrelated noise. This can imply a positive effect on populations. The results could solve a contradiction in the literature, where opposing effects of autocorrelated noise were found in very similar population models. In the second part, I compared two approaches, which are commonly used for predicting effects of climate change on future abundance and distribution of species: a "space for time approach", where predictions are based on the geographic pattern of current abundance in relation to climate, and a "population modelling approach" which is based on correlations between demographic parameters and the inter-annual variation of climate. In this case study, I compared the two approaches for predicting the effect of a shift in mean precipitation on a population of the sociable weaver Philetairus socius, a common colonially living passerine bird of semiarid savannahs of southern Africa. In the space for time approach, I compared abundance and population structure of the sociable weaver in two areas with highly different mean annual precipitation. The analysis showed no difference between the two populations. This result, as well as the wide distribution range of the species, would lead to the prediction of no sensitive response of the species to a slight shift in mean precipitation. In contrast, the population modelling approach, based on a correlation between reproductive success and rainfall, predicted a sensitive response in most model types. The inconsistency of predictions was confirmed in a cross-validation between the two approaches. I concluded that the inconsistency was caused, because the two approaches reflect different time scales. On a short time scale, the population may respond sensitively to rainfall. However, on a long time scale, or in a regional comparison, the response may be compensated or buffered by a variety of mechanisms. These may include behavioural or life history adaptations, shifts in the interactions with other species, or differences in the physical environment. The study implies that understanding, how such mechanisms work, and at what time scale they would follow climate change, is a crucial precondition for predicting ecological consequences of climate change. In the third part of the thesis, I tested why colony sizes of the sociable weaver are highly variable. The high variation of colony sizes is surprising, as in studies on coloniality it is often assumed that an optimal colony size exists, in which individual bird fitness is maximized. Following this assumption, the pattern of bird dispersal should keep colony sizes near an optimum. However, I showed by analysing data on reproductive success and survival that for the sociable weaver fitness in relation to colony size did not follow an optimum curve. Instead, positive and negative effects of living in large colonies overlaid each other in a way that fitness was generally close to one, and density dependence was low. I showed in a population model, which included an evolutionary optimisation process of dispersal that this specific shape of the fitness function could lead to a dispersal strategy, where the variation of colony sizes was maintained.
N2  - Änderungen in der Umwelt - sowohl natürliche Variabilität als auch anthropogene Änderungen - beeinflussen Populationen auf verschiedenen Zeitskalen. Wenn sie räumlich heterogen wirken, verursachen sie räumliche Variabilität in der Abundanz. In dieser Dissertation habe ich drei Themen bearbeitet, die sich auf den Effekt von Änderungen in der Umwelt auf Populationsdynamiken beziehen. Im ersten Teil untersuchte ich an einem einfachen Populationsmodell den Effekt von positiver zeitlicher Autokorrelation im Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko einer Population. Der Effekt der Autokorrelation hing davon ab, wie empfindlich eine Population gegenüber singulären, katastrophenähnlichen Ereignissen schlechter Umweltbedingungen war. War die Population nur dann direkt bedroht, wenn eine Serie von schlechten Umweltbedingungen auftrat, erhöhte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Konnte eine Population auch dann aussterben, wenn schlechte Umweltbedingungen einzeln auftraten, verringerte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Diese unterschiedlichen Effekte konnten durch zwei Eigenschaften autokorrelierter Zeitreihen erklärt werden. Einerseits erhöht positive Autokorrelation die Wahrscheinlichkeit, daß in einer Zeitreihe Serien von schlechten Bedingungen auftreten. Andererseits führt die Aggregation von schlechten Jahren auch zu langen Zeiträumen mit relativ guten Bedingungen. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit, daß innerhalb eines bestimmten Zeitraums zumindest ein extrem schlechtes Jahr auftritt, geringer unter positiver Autokorrelation. Die Ergebnisse konnten einen Widerspruch in der Literatur aufklären, in dem unterschiedliche Effekte von autokorreliertem Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko gefunden wurden, obwohl sehr ähnliche Modelle verwendet wurden. Im zweiten Teil, verglich ich zwei Methoden, die häufig verwendet werden, um den Effekt von Klimawandel auf die zukünftige Verbreitung und Abundanz von Arten vorauszusagen: Ein "Raum-ersetzt-Zeit-Ansatz" ("space for time approach"), in dem Voraussagen aufgrund der aktuellen geographischen Verbreitung und Abundanz einer Art in Relation zum Klima getroffen werden, und ein "Populationsmodell-Ansatz", der auf Korrelationen zwischen demographischen Parametern und der jährlichen Variabilität im Klimas beruht. In einer Fallstudie verglich ich die beiden Methoden, um den Effekt einer Änderung im mittleren Niederschlag auf eine Population des Siedelwebers Philetairus socius vorauszusagen. Der Siedelweber ist eine häufige, koloniale Vogelart in semiariden Savannen im südlichen Afrika. Im "space for time approach" verglich ich zwei Populationen des Siedelwebers in Gebieten mit stark unterschiedlichem mittleren Niederschlag. Die Untersuchung zeigte keinen Unterschied zwischen den beiden Populationen. Sowohl dieses Ergebnis als auch das weite Verbreitungsgebiet des Siedelwebers implizieren keine sensitive Reaktion der Art auf eine geringfügige Änderung im mittleren Niederschlag. Im Unterschied dazu zeigte der "Populationsmodell-Ansatz", der auf einer Korrelation zwischen Niederschlag und dem Reproduktionserfolg des Siedlerwebers beruhte, eine sensitive Reaktion in den meisten der untersuchten Modelltypen. Die Inkonsistenz der Ergebnisse wurde in einer Kreuz-Validierung der beiden Ansätze bestätigt. Aus der Untersuchung folgerte ich, daß die unterschiedlichen Ergebnisse dadurch verursacht wurden, daß die beiden Methoden unterschiedliche Zeitskalen widerspiegeln. Auf einer kurzen Zeitskala reagiert die Population sensitiv auf Änderungen im Niederschlag. Auf einer großen Zeitskala oder im räumlichen Vergleich kann die sensitive Reaktion jedoch durch eine Reihe von Mechanismen gepuffert oder kompensiert werden. Diese Mechanismen können Anpassungen im Verhalten oder in der Lebensgeschichte ("life history"), Änderungen in den Interaktionen mit andern Arten oder Unterschiede in der physikalischen Umgebung beinhalten. Diese Studie zeigt, daß ein Verständnis, wie solche Mechanismen funktionieren, und auf welcher Zeitskala sie wirken, eine wesentliche Voraussetzung ist, um Prognosen über ökologische Effekte des Klimawandels treffen zu können. Im dritten Teil untersuchte ich, warum Kolonien des Siedelwebers so stark in ihrer Größe variieren. Die Variabilität der Koloniegrößen ist erstaunlich, da man in Untersuchungen zur Kolonialität bei Tieren oft davon ausgeht, daß eine optimale Koloniegröße besteht, bei der die individuelle Fitneß maximiert ist. Aufgrund dieser Annahme sollten Vögel sich so im Raum ausbreiten, daß die Koloniegrößen möglicht nahe am Optimum liegen. In dieser Arbeit konnte ich jedoch anhand von Daten zum Reproduktionserfolg und zur Überlebensrate in Relation zur Koloniegröße zeigen, daß die Funktion der Fitneß in Abhängigkeit von der Koloniegröße nicht einer Optimumskurve folgt. Statt dessen überlagern sich positive und negative Effekte der Koloniegröße so, daß die Populationswachstumsrate generell nahe eins ist, und die Dichteabhängigkeit gering ist. Auf diesen Ergebnissen aufbauend zeigte ich in einem Populationsmodell, das einen evolutionären Optimierungsprozeß der Dispersal-Strategie beinhaltet, daß die spezifische Form der Fitneßfunktion zu einer Dispersal-Strategie führen kann, bei der die hohe Variabilität der Koloniegrößen aufrecht erhalten wird.
T2  - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments
KW  - Populationsbiologie
KW  - Ökologie
KW  - Theoretische Ökologie
KW  - Ökologische Modelle
KW  - Klimawandel
KW  - Umweltrauschen
KW  - Extinktionsrisko
KW  - Kolonialität
KW  - ecological modelling
KW  - red noise
KW  - extinction risk
KW  - coloniality
KW  - climate change
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5744
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schuster, Maja
T1  - High resolution decoding of the tobacco chloroplast translatome and its dynamics during light-intensity acclimation
N2  - Chloroplasts are the photosynthetic organelles in plant and algae cells that enable photoautotrophic growth. Due to their prokaryotic origin, modern-day chloroplast genomes harbor 100 to 200 genes. These genes encode for core components of the photosynthetic complexes and the chloroplast gene expression machinery, making most of them essential for the viability of the organism. The regulation of those genes is predominated by translational adjustments. The powerful technique of ribosome profiling was successfully used to generate highly resolved pictures of the translational landscape of Arabidopsis thaliana cytosol, identifying translation of upstream open reading frames and long non-coding transcripts. In addition, differences in plastidial translation and ribosomal pausing sites were addressed with this method. However, a highly resolved picture of the chloroplast translatome is missing. Here, with the use of chloroplast isolation and targeted ribosome affinity purification, I generated highly enriched ribosome profiling datasets of the chloroplasts translatome for Nicotiana tabacum in the dark and light. Chloroplast isolation was found unsuitable for the unbiased analysis of translation in the chloroplast but adequate to identify potential co-translational import. Affinity purification was performed for the small and large ribosomal subunit independently. The enriched datasets mirrored the results obtained from whole-cell ribosome profiling. Enhanced translational activity was detected for psbA in the light. An alternative translation initiation mechanism was not identified by selective enrichment of small ribosomal subunit footprints. In sum, this is the first study that used enrichment strategies to obtain high-depth ribosome profiling datasets of chloroplasts to study ribosome subunit distribution and chloroplast associated translation.
Ever-changing light intensities are challenging the photosynthetic capacity of photosynthetic organism. Increased light intensities may lead to over-excitation of photosynthetic reaction centers resulting in damage of the photosystem core subunits. Additional to an expensive repair mechanism for the photosystem II core protein D1, photosynthetic organisms developed various features to reduce or prevent photodamage. In the long-term, photosynthetic complex contents are adjusted for the efficient use of experienced irradiation. However, the contribution of chloroplastic gene expression in the acclimation process remained largely unknown. Here, comparative transcriptome and ribosome profiling was performed for the early time points of high-light acclimation in Nicotiana tabacum chloroplasts in a genome-wide scale. The time- course data revealed stable transcript level and only minor changes in translational activity of specific chloroplast genes during high-light acclimation. Yet, psbA translation was increased by two-fold in the high light from shortly after the shift until the end of the experiment. A stress-inducing shift from low- to high light exhibited increased translation only of psbA. This study indicate that acclimation fails to start in the observed time frame and only short-term responses to reduce photoinhibition were observed.
N2  - Chloroplasten sind die photosynthetischen Organellen in Pflanzen- und Algenzellen, die photoautotrophes Wachstum ermöglichen. Aufgrund ihrer prokaryotischen Herkunft besitzen moderne Chloroplasten ein Genom mit 100 bis 200 Gene. Diese kodieren für zentrale Komponenten der Photosynthesekomplexe und des Genexpressionsapparates, was sie für die Lebensfähigkeit des gesamten Organismus essenziell macht. Die leistungsstarke Methode Ribosome Profiling wurde bereits erfolgreich eingesetzt, um hochaufgelöste Bilder der zytosolischen Translationslandschaft von Arabidopsis thaliana zu erstellen, wobei Translation von der Hauptsequenz vorgelagerten, kodierenden Sequenzen und langen, nicht-kodierenden Transkripten identifiziert wurde. Ferner wurden mit dieser Technik Regulationen der Plastidentranslation und spezifische Regionen mit unterschiedlicher Elongationsgeschwindigkeit aufgedeckt. Es fehlen jedoch hochaufgelöste Datensätze des Chloroplasten-Translatoms. Chloroplastenisolation und Affinitätsaufreinigung chloroplastidiärer Ribosomen wurde verwendet, um hochangereicherte Ribosome Profiling-Datensätze des Chloroplastentranslatoms für Nicotiana tabacum im Dunkeln und unter Licht zu erzeugen. Wenngleich sich die Chloroplastenisolation als
ungeeignet für eine unverfälschte Analyse der Translation im Chloroplast erwies, ermöglichte sie die Identifizierung von potentiellem co-translationalen Proteinimport. Die entsprechenden
Datensätze spiegelten die Ergebnisse des zellulären Ribosome Profilings wider. Für psbA wurde im Licht erhöhte Translationsaktivität festgestellt. Alternative Initiationsmechanismen
konnten durch spezifische Anreicherung der kleinen ribosomalen Untereinheit nicht verifiziert werden. Zusammenfassend, dies ist die erste Studie, die mittels Anreicherungsstrategien hochaufgelöste Ribosome Profiling-Datensätze zur Analyse von Ribosomuntereinheitsverteilungen und Chloroplast-assoziierter Translation nutzte.
Ständig wechselnde Lichtintensitäten stellen die Photosynthesekapazität von photosynthetischen Organismen auf die Probe. Erhöhte Lichtintensitäten können zu einer Überreizung der
photosynthetischen Reaktionszentren führen, was Beschädigungen von zentralen Komplexeinheiten der Photosysteme verursacht. Neben einem aufwändigen Reparaturmechanismus für das Photosystem II-Protein D1 entwickelte der photosynthetische Organismus verschiedene Mechanismen
um lichtinduzierte Schäden zu reduzieren oder zu verhindern. Langfristig kommt es zu einer Anreicherung spezifischer Photosynthesekomplexen um eine effiziente Ausnutzung der erhöhten Strahlung zu gewährleisten. Der Beitrag der chloroplastidiäeren Genexpressionsregulation zum Akklimatisierungsprozess ist jedoch weitgehend unbekannt. Hier wurde ein vergleichendes Transkript- und Ribosomen Profiling für die frühen Zeitpunkte der Akklimatisierung
unter Starklicht in Tabakchloroplasten in einem genomweiten Maßstab durchgeführt. Die Zeitverlaufsdaten zeigten ein unverändertes Transkriptniveau und nur geringe Änderungen der translationalen Aktivität von chloroplastidiären Genen im Hochlicht im Vergleich zu
Kontrollproben. Die psbA-Translation war jedoch unter Hochlicht schon kurz nach Beginn bis zum Ende des Experiments um etwa das Zweifache erhöht. Der stressinduzierende Wechsel von Schwach- zu Hochlicht bewirkte ebenfalls eine auf psbA-beschränkt, erhöhte Translation.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Akklimatisierung im beobachteten Zeitrahmen nicht begonnen hatte und nur kurzfristige Reaktionen zur Verringerung der Photoinhibition wirksam gewesen sein konnten.
KW  - translation
KW  - chloroplast
KW  - high light
KW  - ribosome profiling
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512680
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schumann, Silvia
T1  - Funktionelle Charakterisierung von prokaryotischen und eukaryotischen Molybdoflavoenzymen
T1  - Functional characterization of prokaryotic and eukaryotic molybdoflavoenzymes
N2  - Die Xanthin-Dehydrogenase aus Rhodobacter capsulatus ist ein cytoplasmatisches Enzym, welches ein (αβ)₂ Heterotetramer mit einer Größe von 275 kDa bildet. Die drei Kofaktoren (Moco, 2[2Fe2S], FAD) sind auf zwei unterschiedlichen Polypeptidketten gebunden. So sind die beiden spektroskopisch unterscheidbaren Eisen-Schwefel-Zentren und das FAD in der XdhA-Untereinheit und der Moco in der XdhB-Untereinheit gebunden. Im ersten Teil dieser Arbeit sollte untersucht werden, warum die R. capsulatus XDH ein Dimer bildet und ob ein intramolekularer Elektronentransfer existiert. Dafür wurde eine chimäre XDH-Variante [(α)₂(β₁wt/β₂E730A)] erzeugt, welche eine aktive und eine inaktive XdhB-Untereinheit trägt. Mit Hilfe von Reduktionsspektren sowie mit der Bestimmung der kinetischen Parameter für die Substrate Xanthin und NAD+ konnte gezeigt werden, dass die chimäre XDH-Variante katalytisch halb so aktiv war, wie der auf gleiche Weise gereinigte XDH-Wildtyp. Dies verdeutlicht, dass die noch aktive Untereinheit der Chimären selbstständig und unabhängig Substrat binden und hydroxylieren kann und ein intramolekularer Elektronentransfer zwischen den beiden XdhB-Untereinheiten nicht stattfindet. Ein weiteres Ziel war die funktionelle Charakterisierung der Mus musculus AOX1 sowie der humanen AOX1 hinsichtlich ihrer Substratspezifitäten und ihrer biophysikalischen Eigenschaften sowie der Charakterisierung der konservierten Aminosäuren im aktiven Zentrum der mAOX1. Da bislang noch kein heterologes Expressionssystem für ein aktives und stabiles rekombinantes AO-Protein existierte, wurde ein E. coli Expressionssystem mit der gleichzeitigen Expression der entsprechenden Mocosulfurase für mAOX1 und hAOX1 in dieser Arbeit etabliert. Mit Hilfe dieser Koexpression konnte die Aktivität der rekombinanten mAOX1 um 50 % gesteigert werden, wenn gleich auch der sulfurierte Moco-Anteil nur 20 % betrug. Um die konservierten Aminosäuren im aktiven Zentrum hinsichtlich ihrer Funktion der Substratbindung zu charakterisieren, wurden folgende Varianten erzeugt: V806E, M884R, V806/M884R sowie E1265Q. Mit Hilfe von kinetischen Substratuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die beiden Aminosäuren Val806 und Met884 für die Erkennung und die Stabilisierung von Aldehyden und N-Heterozyklen essentiell sind. Ein Austausch dieser beiden gegen Glutamat bzw. Arginin (wie bei R. capsulatus XDH) zeigte jedoch keine Xanthin- oder Hypoxanthinumsetzung. Für das Glu1265 wurde ebenfalls die Rolle als die Katalyse initiierende Aminosäure belegt.
N2  - The main task of this work was to analyse the function of R. capsualtus Xanthine Dehydrogenase (R.c. XDH; EC 1.17.1.4) as well as to characterize the structure and function of mouse Aldehyde Oxidase (mAOX1; EC 1.2.3.1). Both enzymes are complex metallo-flavoproteins that contain two nonidentical [2Fe2S] clusters, FAD and the molybdenum cofactor (Moco) as catalytically acting units. AO and XDH are members of the xanthine oxidase family characterized by an equatorial sulfur ligand at the Moco site essential for enzyme activity. To solve the question why R.capsualtus XDH forms a dimer a chimeric variant of bacterial XDH was produced and expressed in E.coli. By means of the (alphabeta)(2) XDH heterotetramer variant, that should include only one active Moco-center, it should be analysed if the two subunits act independent without cooperativity. AO is characterized by broad substrate specificity and this makes it an important enzyme for the metabolism of drugs and xenobiotica. The biochemical and physiological function of AO is still largely obscure and only limited information is available on the physiological substrates of AO or the role of the enzyme in mammalia. The substrate specificity of the recombinant AO should be determined by different purines and aldehydes. In order to determine the function of conserved amino acides, site directed mutagenesis of amino acides at the active site (Val806Glu, Met884Arg, Glu1265Gln) were introduced and enzyme activity was determined. Bacterial XDH is highly homologous to the homodimeric mammalian xanthine oxidoreductase - in the amino acid sequence and the secondary and tertiary protein structure as well as the reaction mechanism as described by Leimkühler et al. (2004). Therefore, in the second part of this work, bacterial XDH will be used as a benchmark for mAOX1 during determination of enzyme acitivities using different purines and aldehydes as substrates. A single monogentic deficit of AO has not been described for humans yet. To identify the biochemical function and to characterize the enzyme in detail a system for a heterologous expression of functionally active hAOX1 in E.coli should be established too.
KW  - Maus Aldehydoxidase1
KW  - R.c. Xanthindehydrogenase
KW  - Enzymkinetik
KW  - Expression
KW  - Molybdoflavoenzyme
KW  - aldehyde oxidase1
KW  - xanthine dehydrogenase
KW  - enzyme kinetic
KW  - molybdoflavoenzymes
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-43427
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schumacher, Kerstin
T1  - Effekte einer reduzierten Dosis von Pflanzenschutzmitteln auf tritrophische Systeme im Ackerbau
T1  - Effects of reduced pesticide dose on tritrophic systems in agriculture
N2  - Chemische Pflanzenschutzmittel (PSM) bekämpfen nicht nur Schadorganismen, sondern haben aufgrund ihrer hohen Toxizität auch negative Auswirkungen auf Nicht-Ziel-Organismen. Die Fragestellung der Arbeit war es, ob mit reduzierten Anwendungen von PSM ihr Gefährdungspotenzial für Prädatoren von Schädlingen verringert und dadurch das Potenzial der natürlichen Schädlingsregulation erhöht wird. In dreijährigen Freilanduntersuchungen wurden die Effekte einer dauerhaft reduzierten Dosis von chemischen PSM auf die ökologische Situation im Ackerbau anhand von drei Fallbeispielen in einem konventionell bewirtschafteten Betrieb in der Magdeburger Börde untersucht. Drei über 15 ha große Felder wurden dauerhaft in zwei Teilflächen geteilt, wobei eine Teilfläche mit der vom Landwirt gewünschten Dosis (100 %-Variante) und die andere mit jeweils genau der halben Dosis (50 %-Variante) behandelt wurde. Mittels dieser Halbfelder-Vergleiche wurden die ökologischen Situationen bezüglich des Auftretens von Blattläusen und ihren Prädatoren sowie Unkräutern vor und nach der jeweiligen PSM-Behandlung aufgenommen und ökonomische Parameter ermittelt. Ergänzend wurden im Labor Modellgefäßversuche mit abgestuften Dosierungen von Insektiziden und Herbiziden durchgeführt. Die Insektizidbehandlung übte einen großen Einfluss auf die Blattläuse und ihre Prädatoren aus, während alle vorherigen Herbizid- und Fungizidbehandlungen zu keinen Unterschieden in der Abundanz der Blattläuse und ihrer Prädatoren zwischen beiden Varianten hervorriefen. Die reduzierte Insektiziddosis führte zu keiner guten Blattlauskontrolle, während die Abundanz der blattlausspezifischen Prädatoren positiv beeinflusst wurde. Die Araneae reagierten auf die reduzierte Dosis mit einer teilweise erhöhten Aktivitätsdichte und Artendiversität. Dagegen waren diesbezüglich keine eindeutigen Effekte auf die Carabidae festzustellen. Es traten keine strukturellen Veränderungen in Form einer erhöhten Unkrautdichte durch die reduzierte Herbiziddosis auf. Erste Hinweise auf mögliche langfristige Auswirkungen einer dauerhaft reduzierten PSM-Anwendung konnten nur bei der Verunkrautung und der Aktivitätsdichte der Araneae beobachtet werden. Blattläuse profitierten demnach mehr von der reduzierten Anwendung der PSM als ihre Prädatoren, so dass zwar das Potenzial der natürlichen Blattlausregulation erhöht, die Selbstregulation aber nicht verbessert wurde. Die geschonten Prädatoren schafften es nicht, die vorhandene Restpopulation der Blattläuse zu reduzieren. Dagegen konnte in den Laborversuchen gezeigt werden, das schon bei deutlich reduzierten Insektiziddosen eine ausreichende Blattlausbekämpfung möglich ist und eine weitere Einsparung durch Ausnutzung der natürlichen Regulation durch Prädatoren erreicht werden kann. Allerdings ist eine Übertragung der Ergebnisse von Laboruntersuchungen auf Freilandbedingungen schwierig. Es kann zu einer Überschätzung der Prädatorleistung führen.
N2  - Pesticide application in order to control pest populations can also affects non-target organisms such as beneficials. Thus, effects of low-input pesticide use on the tritrophic system crop – aphid – predator were investigated in field and laboratory studies. The hypothesis was: 50% doses of pesticides, particularly insecticides, permanently conserves beneficials, improves natural control and enhances biodiversity in fields. The field study was carried out in a conventional farm in an intensive cropping region of Central Germany (Magdeburger Boerde) from 2004-2006 using half-field comparisons. Three fields (≥15 ha) were divided into two halves during the whole period of investigation representing low- and high-input variants. One half was treated by permanently 50% reduced pesticide doses, whereas the other one was characterised by good plant protection practise (100%). To determine ecological effects of a low-input plant protection strategy, abundances of aphids and their predators as well as of weeds were investigated before and after pesticide applications.In adddition, economic parameters were determined. Insecticide treatment caused greatest effect on aphids and their predators, whereas fungicide and herbicide applications did not affect their abundances. The reduced insecticide dose did not lead to a good aphid control, but the abundance of aphid specific predators was positive affected and Araneae showed enhanced activity density and diversity by the low-input insecticide use. No clear effect of reduced insecticides use on abundance, structure of dominance, and diversity of carabids could be observed. No structural changes in terms of an increased density of weeds were found. Accumulative effects of reduced pesticide use could only be observed concerning weed density and activity density of Araneae after three years. It is concluded, that aphids profit more from reduced pesticide dose than their predators. The increased predator potential did not lead to a better natural control because of higher relative survival rate of aphids in the 50%-variant. In contrast to the field study, in laboratory aphids could be sufficiently reduced by low-input insecticide doses. In some cases the dose of insecticide could be reduced even more by utilisation of the predator potential to receive a good pest control. But it is difficult to transfer the results of laboratory studies to field conditions. It could result in an overestimation of the potential of natural regulation by a predator.
KW  - Blattläuse
KW  - Nicht-Ziel-Arthropoden
KW  - Insektizide
KW  - tritrophisches System
KW  - Weizen
KW  - aphids
KW  - non-target arthropods
KW  - insecticides
KW  - tritrophic system
KW  - crop
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15675
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schulte, Luise
T1  - Dynamics of Larix (Mill.) species in Siberia during the last 50,000 years inferred from sedimentary ancient DNA
T1  - Die Dynamik sibirischer Lärchenarten (Larix Mill.) während der
der letzten 50.000 Jahre, untersucht mittels sedimentärer alter DNA
N2  - The deciduous needle tree larch (Larix Mill.) covers more than 80% of the Asian boreal forests. Only a few Larix species constitute the vast forests and these species differ markedly in their ecological traits, most importantly in their ability to grow on and stabilize underlying permafrost. The pronounced dominance of the summergreen larches makes the Asian boreal forests unique, as the rest of the northern hemisphere boreal forests is almost exclusively dominated by evergreen needle-leaf forests. Global warming is impacting the whole world but is especially pronounced in the arctic and boreal regions. Although adapted to extreme climatic conditions, larch forests are sensitive to varying climatic conditions. By their sheer size, changes in Asian larch forests as range shifts or changes in species composition and the resulting vegetation-climate feedbacks are of global relevance. It is however still uncertain if larch forests will persist under the ongoing warming climate or if they will be replaced by evergreen forests. It is therefore of great importance to understand how these ecosystems will react to future climate warmings and if they will maintain their dominance. One step in the better understanding of larch dynamics is to study how the vast dominant forests developed and why they only established in northern Asia. A second step is to study how the species reacted to past changes in the climate.
The first objective of this thesis was to review and identify factors promoting Asian larch dominance. I achieved this by synthesizing and comparing reported larch occurrences and influencing components on the northern hemisphere continents in the present and in the past. The second objective was to find a possibility to directly study past Larix populations in Siberia and specifically their genetic variation, enabling the study of geographic movements. For this, I established chloroplast enrichment by hybridization capture from sedimentary ancient DNA (sedaDNA) isolated from lake sediment records. The third objective was to use the established method to track past larch populations, their glacial refugia during the Last Glacial Maximum (LGM) around 21,000 years before present (ka BP), and their post-glacial migration patterns.
To study larch promoting factors, I compared the present state of larch species ranges, areas of dominance, their bioclimatic niches, and the distribution on different extents and thaw depths of permafrost. The species comparison showed that the bioclimatic niches greatly overlap between the American and Asian species and that it is only in the extremely continental climates in which only the Asian larch species can persist. I revealed that the area of dominance is strongly connected to permafrost extent but less linked to permafrost seasonal thaw depths. Comparisons of the paleorecord of larch between the continents suggest differences in the recolonization history. Outside of northern Asia and Alaska, glacial refugial populations of larch were confined to the southern regions and thus recolonization could only occur as migration from south to north. Alaskan larch populations could not establish wide-range dominant forest which could be related to their own genetically depletion as separated refugial population. In Asia, it is still unclear whether or not the northern refugial populations contributed and enhanced the postglacial colonization or whether they were replaced by populations invading from the south in the course of climate warming. Asian larch dominance is thus promoted partly by adaptions to extremely continental climates and by adaptations to grow on continuous permafrost but could be also connected to differences in glacial survival and recolonization history of Larix species. 
Except for extremely rare macrofossil findings of fossilized cones, traditional methods to study past vegetation are not able to distinguish between larch species or populations. Within the scope of this thesis, I therefore established a method to retrieve genetic information of past larch populations to distinguish between species. Using the Larix chloroplast genome as target, I successfully applied the method of DNA target enrichment by hybridization capture on sedaDNA samples from lake records and showed that it is able to distinguish between larch species. I then used the method on samples from lake records from across Siberia dating back up to 50 ka BP. The results allowed me to address the question of glacial survival and post-glacial recolonization mode in Siberian larch species. The analyzed pattern showed that LGM refugia were almost exclusively constituted by L. gmelinii, even in sites of current L. sibirica distribution. For included study sites, L. sibirica migrated into its extant northern distribution area only in the Holocene. Consequently, the post-glacial recolonization of L. sibirica was not enhanced by northern glacial refugia. In case of sites in extant distribution area of L. gmelinii, the absence of a genetic turn-over point to a continuous population rather than an invasion of southern refugia. The results suggest that climate has a strong influence on the distribution of Larix species and that species may also respond differently to future climate warming. Because species differ in their ecological characteristics, species distribution is also relevant with respect to further feedbacks between vegetation and climate.
With this thesis, I give an overview of present and past larch occurrences and evaluate which factors promote their dominance. Furthermore, I provide the tools to study past Larix species and give first important insights into the glacial history of Larix populations.
N2  - Der sommergrüne Nadelbaum Lärche (Larix Mill.) bedeckt mehr als 80 % der Fläche der borealen Wälder Asiens. Nur wenige Lärchenarten bilden ausgedehnte Wälder und diese Arten unterscheiden sich deutlich in ihren ökologischen Eigenschaften, vor allem in ihrer Fähigkeit, auf Permafrost zu wachsen und diesen zu stabilisieren. Die ausgeprägte Dominanz der sommergrünen Lärchen macht die asiatischen borealen Wälder einzigartig, da der Rest der borealen Wälder der Nordhalbkugel fast ausschließlich von immergrünen Nadelwäldern dominiert wird. Die Klimaerwärmung wirkt sich auf die ganze Welt aus, ist aber in den arktischen und borealen Regionen besonders ausgeprägt. Obwohl die Lärchenwälder an extreme klimatische Bedingungen angepasst sind, reagieren sie empfindlich auf klimatische Schwankungen. Aufgrund ihrer schieren Größe sind Veränderungen in asiatischen Lärchenwäldern, wie z. B. Verschiebungen des Verbreitungsgebiets oder Veränderungen in der Artenzusammensetzung und die daraus resultierenden Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima, von globaler Bedeutung. Es ist jedoch noch ungewiss, ob die Lärchenwälder unter der fortschreitenden Klimaerwärmung bestehen bleiben oder durch immergrüne Wälder ersetzt werden. Es ist daher von großer Bedeutung zu verstehen, wie diese Ökosysteme auf die künftige Klimaerwärmung reagieren werden und ob sie ihre Dominanz behalten werden. Ein Schritt zum besseren Verständnis der Lärchendynamik besteht darin, zu untersuchen, wie die riesigen dominanten Wälder von heute entstanden sind und warum sie sich nur in Nordasien etabliert haben. In einem zweiten Schritt soll untersucht werden, wie die Art auf vergangene Klimaveränderungen reagiert hat.
Das erste Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Faktoren zu ermitteln, die die Dominanz der asiatischen Lärche begünstigen. Dies erreichte ich, indem ich die dokumentierten Lärchenvorkommen und die sie beeinflussenden Komponenten auf den Kontinenten der nördlichen Hemisphäre in der Gegenwart und in der Vergangenheit gesammelt und verglichen habe. Das zweite Ziel bestand darin, eine Möglichkeit zu finden, frühere Lärchenpopulationen in Sibirien und insbesondere ihre genetische Variation direkt zu studieren, um geografische Bewegungen untersuchen zu können. Dafür etablierte ich die Methode der Anreicherung von Chloroplasten durch Hybridisierung von alter sedimentärer DNA (sedaDNA) isoliert aus Seesedimenten. Das dritte Ziel bestand darin, die etablierte Methode zu nutzen, um vergangene Lärchenpopulationen, ihre eiszeitlichen Refugien während des letzten glazialen Maximums (LGM) um ca. 21.000 Jahre vor der Gegenwart (ka BP) und ihre nacheiszeitlichen Migrationsmuster zu verfolgen. 
Um die Faktoren zu untersuchen, die die Ausbreitung der Lärche begünstigen, verglich ich den gegenwärtigen Stand der Verbreitungsgebiete der Lärchenarten, die Gebiete, in denen sie vorherrschen, ihre bioklimatischen Nischen und die Verteilung auf verschiedene Ausdehnungen und Auftautiefen des Permafrosts. Der Artenvergleich zeigte, dass sich die bioklimatischen Nischen der amerikanischen und asiatischen Arten stark überschneiden und dass nur in den extrem kontinentalen Klimazonen ausschließlich die asiatischen Lärchenarten überleben können. Es zeigte sich, dass das Verbreitungsgebiet stark mit der Permafrostausdehnung zusammenhängt, aber weniger mit der saisonalen Auftautiefe des Permafrosts. Der Vergleich vergangener Lärchenvorkommen zwischen den Kontinenten deutet auf Unterschiede in der Rekolonisationsgeschichte hin. Außerhalb Nordasiens und Alaskas waren die eiszeitlichen Lärchenpopulationen auf die südlichen Regionen beschränkt, so dass die Wiederbesiedlung nur als Wanderung von Süden nach Norden erfolgen konnte. Die Lärchenpopulationen in Alaska konnten keinen weiträumig dominanten Wald etablieren, was mit ihrer eigenen genetischen Verarmung als abgeschiedene Refugialpopulation zusammenhängen könnte. In Asien ist noch unklar, ob die nördlichen Refugialpopulationen zur nacheiszeitlichen Besiedlung beigetragen und diese verstärkt haben oder ob sie im Zuge der Klimaerwärmung durch von Süden eindringende Populationen ersetzt wurden. Die Dominanz der asiatischen Lärche wird also zum Teil durch Anpassungen an das extrem kontinentale Klima und durch Anpassungen an das Wachstum auf kontinuierlichem Permafrost begünstigt, könnte aber auch mit Unterschieden in der glazialen Überlebens- und Rekolonisationsgeschichte der Larix-Arten zusammenhängen.
Abgesehen von den äußerst seltenen Makrofossilienfunden versteinerter Zapfen sind die herkömmlichen Methoden zur Untersuchung der vergangenen Vegetation nicht in der Lage, zwischen Lärchenarten oder -populationen zu unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich daher eine Methode zur Gewinnung genetischer Informationen früherer Lärchenpopulationen entwickelt, um zwischen den Arten zu unterscheiden. Unter Verwendung des Larix-Chloroplastengenoms habe ich die Methode der DNA-Anreicherung durch Hybridisierung erfolgreich auf sedaDNA-Proben aus See-sedimentbohrkernen angewandt und gezeigt, dass die Methode erlaubt zwischen Lärchenarten zu unterscheiden. Anschließend wendete ich die Methode auf Proben aus Seen in ganz Sibirien an, die bis zu 50 ka BP zurückreichen. Anhand der Ergebnisse konnte ich zur Beantwortung der Frage beitragen, welche sibirische Lärchenarten während des LGM überlebten und wie die postglaziale Wiederbesiedlung stattfand.
Das analysierte Muster zeigte, dass die LGM-Refugien fast ausschließlich von L. gmelinii gebildet wurden, selbst an Orten, an denen heute L. sibirica verbreitet ist. In den untersuchten Gebieten ist L. sibirica erst im Holozän in ihr heutiges nördliches Verbreitungsgebiet eingewandert. Folglich wurde die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung von L. sibirica nicht durch nördliche eiszeitliche Refugien gefördert. Im Falle der Standorte im heutigen Verbreitungsgebiet von L. gmelinii deutet das Fehlen eines Wechsels genetischer Variation eher auf eine kontinuierliche Population als auf eine Invasion aus südlichen Refugien hin. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Klima einen starken Einfluss auf die Verbreitung von Larix-Arten hat und die Arten auch auf zukünftige Klimaerwärmung unterschiedlich reagieren könnten. Da die Arten sich in ihren ökologischen Eigenschaften unterscheiden, ist eine Änderung in der Verbreitung der Arten auch im Hinblick auf weitere Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima relevant. 
In dieser Arbeit gebe ich einen Überblick über die heutigen und früheren Lärchenvorkommen und bewerte, welche Faktoren ihre Dominanz begünstigen. Darüber hinaus stelle ich eine Methode zur Untersuchung vergangener Lärchenarten bereit und gebe erste wichtige Einblicke in ihre glaziale Geschichte.
KW  - ancient DNA
KW  - ancient sedimentary DNA
KW  - Larix
KW  - larch
KW  - glacial refugia
KW  - postglacial recolonization
KW  - phylogeography
KW  - hybridization capture
KW  - target enrichment
KW  - shotgun sequencing
KW  - chloroplast
KW  - Siberia
KW  - Larix
KW  - Sibirien
KW  - alte DNA
KW  - alte sedimentäre DNA
KW  - Chloroplast
KW  - glaziale Refugien
KW  - Lärche
KW  - Phylogeographie
KW  - nacheiszeitliche Wiederbesiedlung
KW  - Shotgun Sequenzierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558782
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schorling, Markus
T1  - Ökologische und phytomedizinische Untersuchungen zum Anbau von Bt-Mais im Maiszünsler-Befallsgebiet Oderbruch
T1  - Ecological and phytomedical investigations on Bt maize grown in the European corn borer (Ostrinia nubilalis) infested area in the Oderbruch region (Germany)
N2  - In den letzten 20 Jahren hat sich der Maiszünsler (Ostrinia nubilalis HÜBNER), aus der Schmetterlingsfamilie der Pyralidae oder Zünsler, zum bedeutendsten tierischen Schädling des Maises (Zea mays) entwickelt. Eine Möglichkeit den Befall des Maiszünslers abzuwenden, bietet der Anbau von Bacillus thuringiensis-Mais (Bt-Mais). Mit Hilfe der Gentechnik wurden Gene des Bakteriums Bacillus thuringiensis übertragen, die einen für Fraßinsekten giftigen Wirkstoff bilden, wodurch die Pflanzen während der kompletten Vegetation vor den Larven des Maiszünslers geschützt sind. Ziel des vorliegenden Projektes war es, in einer 3-jährigen Studie die Auswirkungen des großflächigen Anbaus von Bt-Mais auf die ökologische Situation und den Handlungsrahmen des integrierten Pflanzenschutzes komplex zu untersuchen. Dazu wurden in Betrieben im Oderbruch, das als permanentes Befallsgebiet des Maiszünslers gilt, in den Jahren 2002 bis 2004 jährlich zwei Felder mit jeweils einer Bt-Sorte und einer konventionellen Sorte angelegt. Zusätzlich wurden biologische und chemische Maiszünsler-Bekämpfungsvarianten geprüft. Durch verschiedene Methoden wie Bonituren, Ganzpflanzenernten, Bodenfallenfänge und Beobachtungen des Wahlverhaltens von (Flug-)insekten konnten Aussagen zum Vorkommen von Insekten und Spinnentieren getroffen werden, wobei hierfür Daten aus Untersuchungen der Jahre 2000 und 2001 im Oderbruch ergänzend herangezogen werden konnten. Durch Ertragsmessungen, Energie- und Qualitätsermittlungen, sowie Fusarium- und Mykotoxinanalysen konnte der Anbau von Bt-Mais als neue Alternative zur Bekämpfung des Maiszünslers bewertet werden. Bezüglich des Auftretens von Insekten und Spinnentieren wurden im Mittel der fünfjährigen Datenerhebung beim Vergleich der Bt-Sorte zur konventionellen Sorte, mit Ausnahme der fast 100 %igen Bekämpfung des Maiszünslers, keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Hierfür wurde ein besonderes Augenmerk auf Thripse, Wanzen, Blattläuse und deren Fraßfeinde, sowie mittels Bodenfallenfängen auf Laufkäfer und Spinnen gerichtet. Die erwarteten ökonomischen Vorteile wie etwa Ertragsplus oder bessere Nährstoff- und Energiegehalte durch geringeren Schaden beim Anbau von Bt-Mais als Silomais blieben in den Untersuchungsjahren aus. Allerdings zeigten Fusarium- und Mykotoxinanalysen eine geringere Belastung des Bt-Maises, was möglicherweise auf den geringeren Schaden zurückzuführen ist, da beschädigte Pflanzen für Fusarium und Mykotoxine anfälliger sind. Desweiteren konnten erste methodische Ansätze für ein auf EU-Ebene gefordertes, den Anbau von Bt-Mais begleitendes Monitoring, erarbeitet werden. So konnten Vorschläge für geeignete Methoden, deren Umfang sowie des Zeitpunktes der Durchführungen gemacht werden.
N2  - In the last 20 years the European corn borer (Ostrinia nubilalis, Pyralidae) has become the most important pest in maize (Zea mays). One of a couple of possibilities to reduce the infestation by the European corn borer is the cultivation of Bacillus thuringiensis maize (Bt maize). Genetic engineering transmitted genes from Bacillus thuringiensis, which produce a substance that is toxic to feeding insects and thus protect plants against the larvae of the European corn borer during the whole vegetation. The present project is a 3-year study to identify the effects of Bt maize growing on the ecological situation and the possibilities of integrated plant protection. From 2002 to 2004, two fields in the Oderbruch region, where Ostrinia nubilalis occurs, were each planted with Bt maize and a conventional maize variety every year. Furthermore, a biological and a chemical strategy against the European corn borer were verified. Different methods like counts, harvest of whole plants, pitfall traps and observation the landing behaviour of flying insects were used to determine the abundance of insects and spiders. Furthermore, we could use additional data from studies obtained in the Oderbruch region in 2000 and 2001. The determination of yield, quality and energy content of the crops as well as of the degree of Fusarium infection and contamination by mycotoxins led to the conclusion that the cultivation of Bt maize is a new alternative strategy to control the European corn borer. The average occurrence of insects and spiders did not differ significantly between Bt maize and the conventional variety in the 5 years of data recording. The only exception is the almost total control of the European corn borer. Attention was especially paid to thrips, bugs, aphids and their feeding enemies and using ground traps to ground beetles and spiders. The expected economic benefits like increased yield or nutrient and energy content of the crop as a result of a minimized damage to silage Bt maize were not achieved in the years under investigation. However, the analysis of Fusarium and mycotoxins indicated a lower exposure of Bt maize, which may result from a lower damage caused by Ostrinia nubilalis, and damaged plants are more susceptible to Fusarium and mycotoxins. Furthermore, we developed a first methodological approach for the monitoring procedure of Bt maize growing required by the EU. We have made proposals on appropriate methods, their extent as well as the optimum time of their application.
KW  - Maiszünsler
KW  - Oderbruch
KW  - Monitoring
KW  - Gentechnologie
KW  - Biodiversität
KW  - Bt-Mais
KW  - Bt maize
KW  - European corn borer
KW  - Ostrinia nubilalis
KW  - genetic engineering
KW  - monitoring
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6260
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmitt, Clemens Nikolaus Zeno
T1  - The role of protein metal complexes in the mechanics of Mytilus californianus byssal threads
T1  - Der Einfluss von Protein-Metall-Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften der Byssusfäden von Mytilus californianus
N2  - Protein-metal coordination complexes are well known as active centers in enzymatic catalysis, and to contribute to signal transduction, gas transport, and to hormone function. Additionally, they are now known to contribute as load-bearing cross-links to the mechanical properties of several biological materials, including the jaws of Nereis worms and the byssal threads of marine mussels. The primary aim of this thesis work is to better understand the role of protein-metal cross-links in the mechanical properties of biological materials, using the mussel byssus as a model system. Specifically, the focus is on histidine-metal cross-links as sacrificial bonds in the fibrous core of the byssal thread (Chapter 4) and L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)-metal bonds in the protective thread cuticle (Chapter 5).
Byssal threads are protein fibers, which mussels use to attach to various substrates at the seashore. These relatively stiff fibers have the ability to extend up to about 100 % strain, dissipating large amounts of mechanical energy from crashing waves, for example. Remarkably, following damage from cyclic loading, initial mechanical properties are subsequently recovered by a material-intrinsic self-healing capability. Histidine residues coordinated to transition metal ions in the proteins comprising the fibrous thread core have been suggested as reversible sacrificial bonds that contribute to self-healing; however, this remains to be substantiated in situ. In the first part of this thesis, the role of metal coordination bonds in the thread core was investigated using several spectroscopic methods. In particular, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was applied to probe the coordination environment of zinc in Mytilus californianus threads at various stages during stretching and subsequent healing. Analysis of the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) suggests that tensile deformation of threads is correlated with the rupture of Zn-coordination bonds and that self-healing is connected with the reorganization of Zn-coordination bond topologies rather than the mere reformation of Zn-coordination bonds. These findings have interesting implications for the design of self-healing metallopolymers.
The byssus cuticle is a protective coating surrounding the fibrous thread core that is both as hard as an epoxy and extensible up to 100 % strain before cracking. It was shown previously that cuticle stiffness and hardness largely depend on the presence of Fe-DOPA coordination bonds. However, the byssus is known to concentrate a large variety of metals from seawater, some of which are also capable of binding DOPA (e.g. V). Therefore, the question arises whether natural variation of metal composition can affect the mechanical performance of the byssal thread cuticle. To investigate this hypothesis, nanoindentation and confocal Raman spectroscopy were applied to the cuticle of native threads, threads with metals removed (EDTA treated), and threads in which the metal ions in the native tissue were replaced by either Fe or V. Interestingly, replacement of metal ions with either Fe or V leads to the full recovery of native mechanical properties with no statistical difference between each other or the native properties. This likely indicates that a fixed number of metal coordination sites are maintained within the byssal thread cuticle – possibly achieved during thread formation – which may provide an evolutionarily relevant mechanism for maintaining reliable mechanics in an unpredictable environment.
While the dynamic exchange of bonds plays a vital role in the mechanical behavior and self-healing in the thread core by allowing them to act as reversible sacrificial bonds, the compatibility of DOPA with other metals allows an inherent adaptability of the thread cuticle to changing circumstances. The requirements to both of these materials can be met by the dynamic nature of the protein-metal cross-links, whereas covalent cross-linking would fail to provide the adaptability of the cuticle and the self-healing of the core. In summary, these studies of the thread core and the thread cuticle serve to underline the important and dynamic roles of protein-metal coordination in the mechanical function of load-bearing protein fibers, such as the mussel byssus.
N2  - Protein-Metall Bindungen sind vor allem durch ihre Rolle in physiologischen Prozessen bekannt. Vor kurzem jedoch wurde eine völlig andere Funktion dieser chemischen Bindungen, als lasttragendes Vernetzungselement in Kieferzangen mariner Ringelwürmer der Gattung Nereis und Byssusfäden mariner Muscheln der Gattung Mytilus (Miesmuscheln) entdeckt. Ziel dieser Dissertation ist es, am Beispiel von M. californianus Byssusfäden, ein besseres Verständnis des Einflusses von Protein-Metall Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften biologischer Materialien zu erlangen.
Byssusfäden sind Proteinfasern, welche Miesmuscheln zur sicheren Befestigung verwenden. Diese relativ steifen Fäden können bis zu 100 % gedehnt zu werden, ohne zu brechen. Bei sofortiger Wiederbelastung zeigt sich jedoch eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Erstaunlicherweise können sich die mechanischen Eigenschaften der Fäden hiervon wieder erholen. Es wird angenommen, dass im Faserkern der Byssusfäden die Aminosäure Histidin Bindungen mit Metallionen eingeht, welche als reversible Opferbindungen fungieren können und so einen Selbstheilungsprozess ermöglichen. In dieser Arbeit wurde der Beitrag von Protein-Zink Bindungen zur Mechanik der Byssusfäden mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), untersucht. Die ermittelten Daten legen nahe, dass Zn-Aminosäure Bindungen unter Dehnung der Byssusfäden brechen. Des Weiteren scheint der Selbstheilungsprozess nicht auf der bloßen Wiederherstellung dieser Bindungen zu beruhen, sondern viel mehr auf der Regenerierung der anfänglichen Bindungsstruktur und -verteilung. Diese Erkenntnisse stellen interessante Konzepte für die Entwicklung von selbstheilenden Metallopolymeren bereit.
Die relativ harte Hülle der Byssusfäden schützt den Faserkern vor Abrieb. Laut Literatur basiert ihre Härte und Steifigkeit hauptsächlich auf der Quervernetzung durch Fe-DOPA (eine modifizierte Aminosäure) Bindungen. Jedoch können verschiedene Metalle aus dem Meerwasser in Byssusfäden aufgenommen werden und auch Bindungen mit DOPA bilden. Daher stellt sich die Frage, nach dem Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und der Metallzusammensetzung der Byssushülle. Um dieser Frage nachzugehen, wurden die Metallionen aus der Hülle natürlicher Byssusfäden entfernt, und durch entweder Fe oder V ersetzt. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften der Hüllen der behandelten und unbehandelten Byssusfäden mittels Nanoindentierung bestimmt. Interessanterweise besteht kein Unterschied der mechanischen Eigenschaften der natürlichen und modifizierten Hüllen der Byssusfäden, was dafür spricht, dass in der Hülle der Byssusfäden eine feste Anzahl an Protein-Metall Quervernetzungspunkten vorhanden ist, die möglicherweise durch den speziellen Produktionsprozess der Fäden festgelegt wird. Dies könnte eine evolutionäre Anpassung des Byssus darstellen, um eine verlässliche Verankerung des Organismus in verschiedenen Umgebungen zu gewährleisten.
Während die Dynamik der Protein-Metall Bindungen ihnen eine Rolle als chemische Opferbindung im selbstheilenden Faserkern erlaubt, ermöglicht sie die Funktion der Hülle unter Verwendung verschiedener Metalle. Andere nicht-kovalente Wechselwirkungen haben sicherlich eine ähnliche Dynamik, und kovalente Bindungen sind stabiler, aber nur Protein-Metall Bindungen erlauben eine stabile und dynamische Quervernetzung, ohne die weder das Anpassungsvermögen der Hülle, noch das Selbstheilungsvermögen des Faserkerns möglich wären. Die Untersuchungen der Hülle und des Faserkerns der Byssusfäden verdeutlichen die Wichtigkeit der Protein-Metall Bindungen und ihrer Dynamik für die mechanische Funktion lasttragender Proteinfasern, wie dem Byssus der Miesmuscheln.
KW  - biomaterials
KW  - self-healing materials
KW  - protein-metal interaction
KW  - Biomaterialien
KW  - selbstheilende Materialien
KW  - Protein-Metall-Wechselwirkung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74216
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidtke, Andrea
T1  - Biodiversity effects on the performance of terrestrial plant and phytoplankton communities
T1  - Der Effekt der Biodiversität auf die Performance von terrestrischen Pflanzen und Phytoplankton-Gemeinschaften
N2  - Die Ökosysteme unserer Erde sind durch das rasante Artensterben infolge von Umweltveränderungen durch den Menschen und des globalen Klimawandels stark betroffen. Mit den Auswirkungen dieses Artenverlustes und der damit einhergehenden Veränderung der Diversität beschäftigt sich die heutige Biodiversitätsforschung. Spezieller wird der Effekt der Diversität auf Ökosystemprozesse wie beispielsweise den Biomasseaufbau von Primärproduzenten oder der Resistenz einer Gemeinschaft gegen die Einwanderung neuer Arten untersucht. Die Quantifizierung des Einflusses der Diversität auf die Primärproduktion und das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist von besonderer Wichtigkeit. In terrestrischen Pflanzengemeinschaften wurde bereits ein positiver Diversitätseffekt auf die Gemeinschaftsbiomasse beobachtet. Dies wird hauptsächlich durch den Komplementaritäts- und/oder den Dominanzeffekt erklärt. Die Komplementarität zwischen Arten ist beispielsweise bei Unterschieden in der Ressourcenausnutzung gegeben (z.B. unterschiedliche Wurzeltiefen). Diese kann zu einer besseren Nährstoffausnutzung in diverseren Gemeinschaften führen, die letztlich deren höhere Biomassen erklärt. Der Dominanzeffekt hingegen beruht auf der in diverseren Gemeinschaften höheren Wahrscheinlichkeit, eine hochproduktive Art anzutreffen, was letztlich die höhere Biomasse der Gemeinschaft verursacht. Diversitätseffekte auf Ökosystemprozesse wurden bisher hauptsächlich auf der Gemeinschaftsebene untersucht. Analysen über die Reaktionen, die alle Arten einer Gemeinschaft einschließen, fehlen bisher. Daher wurde der Einfluss der Diversität auf die individuelle Performance von Pflanzenarten innerhalb des Biodiversitätsprojektes „Das Jena Experiment“ untersucht. Dieses Experiment umfasst 60 Arten, die charakteristisch für Mitteleuropäische Graslandschaften sind. Die Arten wurden in die 4 funktionellen Gruppen Gräser, kleine Kräuter, große Kräuter und Leguminosen eingeteilt. Im Freilandversuch zeigte sich, dass mit steigender Artenzahl die individuelle Pflanzenhöhe zunahm, während die individuelle oberirdische Biomasse sank. Der positive Diversitätseffekt auf die pflanzliche Gemeinschaftsbiomasse kann folglich nicht auf der individuellen oberirdischen Biomassezunahme beruhen. Überdies reagierten die einzelnen funktionellen Gruppen und sogar die einzelnen Arten innerhalb einer funktionellen Gruppe unterschiedlich auf Diversitätsveränderungen. Folglich ist zu vermuten, dass einige Ökosystemprozesse auf Gemeinschaftsebene durch die Reaktionen von bestimmten funktionellen Gruppen bzw. Arten hervorgerufen werden. Diversitätseffekte auf Gemeinschaftsbiomassen wurden bislang hauptsächlich mit terrestrischen Pflanzen und weniger mit frei-schwebenden Algenarten (Phytoplankton) erforscht. Demzufolge wurde der Einfluss der Diversität auf die Biomasse von Phytoplankton-Gemeinschaften experimentell untersucht, wobei es sowohl zu negativen als auch positiven Diversitätseffekten kam. Eine negative Beziehung zwischen Diversität und Gemeinschaftsbiomasse zeigte sich, wenn schnell-wüchsige Algenarten nur geringe Biomassen in Mono- und Mischkultur aufbauten. Die vorhandenen Nährstoffe in der Mischkultur wurden von den schnell-wüchsigen Arten monopolisiert und folglich standen sie den langsam-wüchsigen Algenarten, welche viel Biomasse in Monokultur aufbauten, nicht mehr zur Verfügung. Zu einem positiven Diversitätseffekt auf die Gemeinschaftsbiomasse kam es, wenn die Artengemeinschaft eine positive Beziehung zwischen Wachstumsrate und Biomasse in Monokultur zeigte, sodass die schnell-wüchsige Algenarten viel Biomasse aufbauten. Da diese schnell-wüchsigen Algen in der Mischkultur dominant wurden, bestand die Gemeinschaft letztlich aus hoch-produktiven Algenarten, was zu einer erhöhten Gesamtbiomasse führte. Diese beiden Versuchsansätze verdeutlichen Mechanismen für die unterschiedlichen Reaktionen der Gemeinschaften auf Diversitätsveränderungen, welche auch für terrestrische Pflanzengemeinschaften gefunden wurden. Ein anderer wichtiger Ökosystemprozess, der von der Diversität beeinflusst wird, ist die Anfälligkeit von Gemeinschaften gegenüber invasiven Arten (Invasibilität). Die Invasibilität wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst und demzufolge wurde der Effekt der Diversität und der Produktivität (Nährstoffgehalt) auf die Invasibilität von Phytoplankton-Gemeinschaften in An- und Abwesenheit eines Herbivoren untersucht. Die zwei funktionell unterschiedlichen invasiven Arten waren die Blaualge Cylindrospermopsis raciborskii (schlecht fressbar) und der Phytoflagellat Cryptomonas sp. (gut fressbar). Es zeigte sich, dass der Fraßdruck, welcher selber durch die Produktivität beeinflusst wurde, einen bedeutenden Effekt auf die Invasibilität von Phytoplankton-Gemeinschaften hat. Die funktionellen Eigenschaften der invasiven und residenten Arten waren zudem bedeutender als die Artenzahl.
N2  - To date, positive relationships between diversity and community biomass have been mainly found, especially in terrestrial ecosystems due to the complementarity and/or dominance effect. In this thesis, the effect of diversity on the performance of terrestrial plant and phytoplankton communities was investigated to get a better understanding of the underlying mechanisms in the biodiversity-ecosystem functioning context. In a large grassland biodiversity experiment, the Jena Experiment, the effect of community diversity on the individual plant performance was investigated for all species. The species pool consisted of 60 plant species belonging to 4 functional groups (grasses, small herbs, tall herbs, legumes). The experiment included 82 large plots which differed in species richness (1-60), functional richness (1-4), and community composition. Individual plant height increased with increasing species richness suggesting stronger competition for light in more diverse communities. The aboveground biomass of the individual plants decreased with increasing species richness indicating stronger competition in more species-rich communities. Moreover, in more species-rich communities plant individuals were less likely to flower out and had fewer inflorescences which may be resulting from a trade-off between resource allocation to vegetative height growth and to reproduction. Responses to changing species richness differed strongly between functional groups and between species of similar functional groups. To conclude, individual plant performance can largely depend on the diversity of the surrounding community. Positive diversity effects on biomass have been mainly found for substrate-bound plant communities. Therefore, the effect of diversity on the community biomass of phytoplankton was studied using microcosms. The communities consisted of 8 algal species belonging to 4 functional groups (green algae, diatoms, cyanobacteria, phytoflagellates) and were grown at different functional richness levels (1-4). Functional richness and community biomass were negatively correlated and all community biomasses were lower than their average monoculture biomasses of the component species, revealing community underyielding. This was mainly caused by the dominance of a fast-growing species which built up low biomasses in monoculture and mixture. A trade-off between biomass and growth rate in monoculture was found for all species, and thus fast-growing species built up low biomasses and slow-growing species reached high biomasses in monoculture. As the fast-growing, low-productive species monopolised nutrients in the mixtures, they became the dominant species resulting in the observed community underyielding. These findings suggest community overyielding when biomasses of the component species are positively correlated with their growth rates in monocultures. Aquatic microcosm experiments with an extensive design were performed to get a broad range of community responses. The phytoplankton communities differed in species diversity (1, 2, 4, 8, and 12), functional diversity (1, 2, 3, and 4) and community composition. The species/functional diversity positively affected community biomass, revealing overyielding in most of the communities. This was mainly caused by a positive complementarity effect which can be attributed to resource use complementarity and/or facilitative interaction among the species. Overyielding of more diverse communities occurred when the biomass of the component species was correlated positively with their growth rates in monoculture and thus, fast-growing and high-productive species were dominant in mixtures. This and the study mentioned above generated an emergent pattern for community overyielding and underyielding from the relationship between biomass and growth rate in monoculture as long as the initial community structure prevailed. Invasive species can largely affect ecosystem processes, whereas invasion is also influenced by diversity. To date, studies revealed negative and positive diversity effects on the invasibility (susceptibility of a community to the invasion by new species). The effect of productivity (nutrient concentration ranging from 10 to 640 µg P L-1), herbivory (presence/absence of the generalist feeder) and diversity (3, 4, 6 species were randomly chosen from the resident species pool) on the invasibility of phytoplankton communities consisting of 10 resident species was investigated using semi-continuous microcosms. Two functionally diverse invaders were chosen: the filamentous and less-edible cynaobacterium C. raciborskii and the unicellular and well-edible phytoflagellate Cryptomonas sp. The phytoflagellate indirectly benefited from grazing pressure of herbivores whereas C. raciborskii suffered more from it. Diversity did not affect the invasibility of the phytoplankton communities. Rather, it was strongly influenced by the functional traits of the resident and invasive species.
KW  - Artenzahl
KW  - funktionelle Diversität
KW  - Ökosystemfunktion
KW  - Performance
KW  - Primärproduzenten
KW  - Species number
KW  - functional diversity
KW  - ecosystem functioning
KW  - performance
KW  - primary producer
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-38936
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Ruth Maria
T1  - Signalkaskaden und Steuermechanismen in den Speicheldrüsen von Dipteren
T1  - Signalling pathways and control mechanisms in the salivary glands of Diptera
N2  - Flüssigkeitssekretion und Proteinsekretion werden in Speicheldrüsen von Insekten über Hormone und Neurotransmitter gesteuert. Diese entfalten ihre physiologische Wirkung in den sekretorischen Drüsenzellen hauptsächlich über den zyklischen Adenosinmonophosphat (cAMP)-Signalweg und den Inositoltrisphosphat (IP<SUB>3</SUB>) / Ca<sup>2+-Signalweg. Die Mechanismen möglicher Wechselwirkungen zwischen diesen Signalwegen und ihre physiologischen Auswirkungen sind unzureichend bekannt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Frage, ob und wie sich der Ca<sup>2+-Signalweg und der cAMP-Signalweg in der Speicheldrüse der Diptere Calliphora vicina beeinflussen. Substanzen wie 5-Fluoro-α-Methyltryptamin und Histamin wurden in früheren Arbei-ten als Agonisten genutzt, um in den Speicheldrüsen von C. vicina selektiv den cAMP-Signalweg (getrennt vom IP<SUB>3</SUB>/Ca<sup>2+-Signalweg) zu aktivieren. Es zeigte sich in transepithelialen Potentialmessungen und mikrofluorometrischen Ca<sup>2+-Untersuchungen, dass beide Substanzen sowohl den cAMP-Weg als auch den Ca<sup>2+-Signalweg aktivierten. Die physiologischen Ursachen der Histamin-induzierten Ca<sup>2+-Erhöhung wurden genauer untersucht.  Zusammengefasst zeigten diese Untersuchungen, dass Histamin wie 5-HT den cAMP-Weg und die Phosphoinositidkaskade aktivierte. Im Gegensatz zu den 5-HT-induzierten Ca<sup>2+-Oszillationen, welche durch interzelluläre Ca<sup>2+-Wellen synchronisiert werden, verursachte Histamin bei niedrigen Konzentrationen lokale Ca<sup>2+-Oszillationen in einzelnen Zellen (keine Wellen). Bei höheren Histamin-Konzentrationen war eine anhaltende Ca<sup>2+-Erhöhung oder ein synchrones <quote>Ca<sup>2+-beating</quote> in der gesamten Drüse zu beobachten.  Des Weiteren wurde die Frage untersucht, ob eine Erhöhung der intrazellulären cAMP-Konzentration den IP<SUB>3</SUB> Ca<sup>2+-Signalweg in den Epithelzellen der Speicheldrüse beeinflussen kann. Es zeigte sich, dass cAMP den durch schwellennahe 5-HT-Konzentrationen induzierten Ca<sup>2+-Anstieg verstärkte. Diese Verstärkung wurde durch eine PKA-vermittelte Sensitivierung des IP<SUB>3</SUB>-Rezeptor/Ca<sup>2+-Kanals für IP<SUB>3</SUB> verursacht. Immunzytochemische Untersuchungen deuten dar-auf hin, dass die Proteinkinase A eng mit dem IP<SUB>3</SUB>-Rezeptor/Ca<sup>2+-Kanal assoziiert ist. Diese Messungen zeigen erstmals, dass auch bei Invertebraten der Botenstoff cAMP, PKA-vermittelt, den IP<SUB>3</SUB>-Rezeptor/Ca<sup>2+-Kanal des ER für IP<SUB>3</SUB> sensitiviert.
N2  - Fluid- and protein-secretion in the salivary glands of insects are controlled by hormones or neurotransmitters. These agonists activate two signalling cascades: the cAMP-pathway and the IP>sub>3/Ca-pathway. The functional crosstalk between these two signalling pathways is poorly understood.  Functional crosstalk between cAMP-pathway and IP3/Ca<sup>2+-pathway was investigated in the salivary glands of the blowfly, Calliphora vicina. Histamine and 5-alpha-methyltryptamine were used in an attempt to activate the cAMP-pathway selectively, as suggested previously. By using transepithelial potential-measurements and microfluorometric Ca<sup>2+-imaging it was demonstrated that both substances activate the cAMP- and the IP3/Ca<sup>2+-pathway. The physiological effects of histamine were investigated in detail. These experiments show that histamine causes an intracellular Ca<sup>2+-elevation that, in some preparations exhibits oscillations with concentration-dependent frequencies. In contrast to 5-HT induced intracellular Ca<sup>2+-oscillations and propagating intercellular Ca<sup>2+-waves histamine produces local Ca<sup>2+-oscillations in single cells or synchronous <quote>Ca<sup>2+-beating</quote> in the whole gland. In addition the effects of increasing cAMP on the IP3/Ca<sup>2+-pathway in the salivary glands of the blowfly were studied. It could be demonstrated that cAMP augments the 5-HT-induced Ca<sup>2+-increase in glands stimulated with low doses of 5-HT. This potentiation is the result of a PKA-mediated sensitisation of the IP3-receptor/Ca<sup>2+-channel for IP3. Results of immunocytochemical analyses show that the PKA is spatially associated with the ER. These results show for the first time that in invertebrates as well as in vertebrates the second messenger cAMP sensitises the IP3-receptor/Ca<sup>2+-channel for IP3 by the action of a PKA.
KW  - Speichel
KW  - Speicheldrüse
KW  - Insekten
KW  - Calcium-Imaging
KW  - transepitheliales Potential
KW  - Signalkakaden
KW  - IP3
KW  - cAMP
KW  - PKA
KW  - IP3-Rezeptor
KW  - salivary gland
KW  - blowfly
KW  - signalling pathways
KW  - IP3
KW  - cyclic AMP
KW  - IP3-receptor
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7714
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Peter Michael
T1  - Aktivitätsmessung auf nukleinsäuremodifizierten Oberflächen
N2  - Im Bereich der medizinischen Diagnostik spielen DNA-Chips eine immer wichtigere Rolle. Dabei werden Glas- oder Silikon-Oberflächen mit Tausenden von einzelsträngigen DNA-Fragmenten, sog. Sonden, bestückt, die mit den passenden DNA-Fragmenten in der zugefügten Patientenprobe verschmelzen. Die Auswertung solcher Messungen liefert die Diagnose für Krankheiten wie z.B. Krebs, Alzheimer oder für den Nachweis pathogener Erreger. Durch fortschreitende Miniaturisierung dieser Meßsysteme können bis zu 40.000 Genfragmente des Menschen in einer einzigen Messung analysiert werden. Neben den DNA-Fragmenten können Bio-Chips auch für andere biologische Komponenten wie Antikörper und Proteine eingesetzt werden, wobei bei letzteren neben der Bindung auch die Aktivität ein wichtiger Diagnoseparamter ist.   Am Fraunhofer-Institut für medizinische Technik und am Lehrstuhl für Analytische Biochemie der Universität Potsdam wurden im Rahmen einer Doktorarbeit Methoden entwickelt, die es ermöglichen auf nukleinsäuremodifizierten Sensoroberflächen die Aktivität von Proteinen zu messen. Es wurden Nukleinsäuren auf Oberflächen optischer Sensoren verankert. Diese fungierten als Rezeptor für die Proteine sowie auch als Substrat für Restriktionsenzyme, die Nukleinsäuren schneiden und Polymerasen, die Nukleinsäuren synthetisieren und verlängern können.  Seine Anwendung fand diese Messmethode in der Messung der Aktivität des Proteins Telomerase, das in 90% aller Tumore erhöhte Aktivität gegenüber gesunden Zellen aufweist. Die Vorteile dieses neuen Assays gegenüber älteren Methoden liegt im Verzicht auf radioaktiv-markierten Komponenten und einer deutlich verkürzten Analysezeit. Die Arbeit schliesst mit einem funktionsfähigen Nachweis der Telomeraseaktivität im Zellextrakt von gesunden und kranken Zellen. Der direkte Einfluß von Hemmstoffen auf die Aktivität konnte sichtbar gemacht werden, und steht daher bei der Entwicklung neuer Tumor-Diagnostika und Therapeutika zur Verfügung.
N2  - In the field of medical diagnostic the importance of DNA chips is growing continuously. On silica surfaces hundreds of single stranded DNA fragments are immobilised which finally detect the complementary sequences in samples of patients by hybridisation. These methods enable the detection of serious diseases as cancer, Alzheimer's disease or infection by pathogens. Biomolecules as nucleic acids, antibodies and proteins can be used as receptors on the solid surfaces whereas in case of proteins not only the binding but also the activity are of high interest for medical diagnosis.  In this thesis a biosensoric approach has been developed to determine the activity of nucleic-acid modifying enzymes. Optical sensors as, e.g., the grating coupler, were used to monitor the association and dissociation of unlabeled compounds on the sensor surface in real time, by virtue of evanescent-field. Furthermore sensors based on total internal reflection fluorescence measured the activity of restriction enzymes and polymerases. The general approach included the immobilisation of oligonucleotides which acted as the receptor for the enzymes as well as the substrate for the enzymatic reaction. Enzymes as EcoRI and Klenow were used to establish a model system to measure the activity of DNA-modifying enzymes on optical surfaces. As most nucleic acid detection systems use amplification steps such as polymerase chain reaction (PCR) to increase the amount of the probe the new optical systems facilitated the analysis of the enzymatic activity by measuring the DNA-synthesis or restriction directly.  These systems were finally used to detect the activity of the telomerase, an enzymatic marker for the cancerous development of cells. In 90% of cancer cells the activity of telomerase is higher than in normal cells. Additionally the increase of the telomerase activity in cells induced by carcinogenic substances was detected. Furthermore no purification steps of the samples were required as all measurements were performed with crude cell extract.  Also the effect of inhibitors of the telomerase could be shown in real time measurements underlining the potential of this assay for further developments of new cancer therapeutics.
KW  - Aktivitätsmessung
KW  - optische Biosensoren
KW  - Nukleinsäuren
KW  - Telomerase
KW  - Telomerase
KW  - TRAP-assay
KW  - fibre optic
KW  - G-quartettes
KW  - grating coupler
KW  - on-chip enzymatic assay
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000797
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Andreas
T1  - Charakterisierung der Lipopolysaccharid-Bindungseigenschaften von Adhäsionsproteinen aus Salmonella-Bakteriophagen
T1  - Characterization of lipopolysaccharide-binding properties of adhesion proteins from Salmonella-bacteriophages
N2  - Die Interaktionen von komplexen Kohlenhydraten und Proteinen sind ubiquitär. Sie spielen wichtige Rollen in vielen physiologischen Prozessen wie Zelladhäsion, Signaltransduktion sowie bei viralen Infektionen. Die molekularen Grundlagen der Interaktion sind noch nicht komplett verstanden. Ein Modellsystem für Kohlenhydrat-Protein-Interaktionen besteht aus Adhäsionsproteinen (Tailspikes) von Bakteriophagen, die komplexe Kohlenhydrate auf bakteriellen Oberflächen (O-Antigen) erkennen. Das Tailspike-Protein (TSP), das in dieser Arbeit betrachtet wurde, stammt aus dem Bakteriophagen 9NA (9NATSP). 9NATSP weist eine hohe strukturelle Homologie zum gut charakterisierten TSP des Phagen P22 (P22TSP) auf, bei einer niedriger sequenzieller Ähnlichkeit. Die Substratspezifitäten beider Tailspikes sind ähnlich mit Ausnahme der Toleranz gegenüber den glucosylierten Formen des O-Antigens. Die Struktur der beiden Tailspikes ist bekannt, sodass sie ein geeignetes System für vergleichende Bindungsstudien darstellen, um die strukturellen Grundlagen für die Unterschiede der Spezifität zu untersuchen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ELISA-like tailspike adsorption assay (ELITA) etabliert, um Binderpaare aus TSPs und O-Antigen zu identifizieren. Dabei wurden 9NATSP und P22TSP als Sonden eingesetzt, deren Bindung an die intakten, an die Mikrotiterplatte adsorbierten Bakterien getestet wurde. Beim Test einer Sammlung aus 44 Salmonella-Stämmen wurden Stämme identifiziert, die bindendes O-Antigen exprimieren. Gleichzeitig wurden Unterschiede in der Bindung der beiden TSPs an Salmonella-Stämme mit gleichem O-Serotyp beobachtet. Die Ergebnisse der ELITA-Messung wurden qualitativ durch eine FACS-basierte Bindungsmessung bestätigt. Zusätzlich ermöglichte die FACS-Messung bei Stämmen, die teilweise modifizierte O-Antigene herstellen, den Anteil an Zellen mit und ohne Modifikation zu erfassen.
Die Oberflächenplasmonresonanz (SPR)-basierten Interaktionsmessungen wurden eingesetzt, um Bindungsaffinitäten für eine TSP-O-Antigen Kombination zu quantifizieren. Dafür wurden zwei Methoden getestet, um die Oligosaccharide auf einem SPR-Chip zu immobilisieren. Zum einen wurden die enzymatisch hergestellten O-Antigenfragmente mit einem bifunktionalen Oxaminadapter derivatisiert, der eine primäre Aminogruppe für die Immobilisierung bereitstellt. Ein Versuch, diese Oligosaccharidfragmente zu immobilisieren, war jedoch nicht erfolgreich. Dagegen wurde das nicht derivatisierte Polysaccharid, bestehend aus repetitivem O-Antigen und einem konservierten Kernsaccharid, erfolgreich auf einem SPR-Chip immobilisiert. Die Immobilisierung wurde durch Interaktionsmessungen mit P22TSP bestätigt. Durch die Immobilisierung des Polysaccharids sind somit quantitative SPR-Bindungsmessungen mit einem polydispersen Interaktionspartner möglich.
Eine Auswahl von Salmonella-Stämmen mit einer ausgeprägt unterschiedlichen Bindung von 9NATSP und P22TSP im ELITA-Testsystem wurde hinsichtlich der Zusammensetzung des O-Antigens mittels HPLC, Kapillargelelektrophorese und MALDI-MS analysiert. Dabei wurden nicht-stöchiometrische Modifikationen der O-Antigene wie Acetylierung und Glucosylierung detektiert. Das Ausmaß der Glucosylierung korrelierte negativ mit der Effizienz der Bindung und des Verdaus durch die beiden TSPs, wobei der negative Effekt bei 9NATSP weniger stark ausgeprägt war als bei P22TSP. Dies stimmt mit den Literaturdaten zu Infektivitätsstudien mit 9NA und P22 überein, die mit Stämmen mit vergleichbaren O-Antigenvarianten durchgeführt wurden. Die Korrelation zwischen der Glucosylierung und Bindungseffizienz konnte strukturell interpretiert werden.
Auf Grundlage der O-Antigenanalysen sowie der Ergebnisse der ELITA- und FACS-Bindungstests wurden die Salmonella-Stämme Brancaster und Kalamu identifiziert, die annähernd quantitativ glucosyliertes O-Antigen exprimieren. Damit eignen sich diese Stämme für weiterführende Studien, um die Zusammenhänge zwischen der Spezifität und der Organisation der Bindestellen der beiden TSPs zu untersuchen.
N2  - Interactions between complex carbohydrates and proteins are ubiquitous. They play a major role in plenty of physiological processes as cell adhesion, signal transduction, as well as viral infections. The molecular details of the interaction are not completely understood. A model system for protein-carbohydrate interactions consists of adhesion proteins (Tailspikes) of bacteriophages, which recognize complex carbohydrates on the bacterial surface (O-antigen).  A Tailspike primary used in this work originates from the bacteriophage 9NA (9NATSP). 9NATSP shows a remarkable structural similarity to the extensively studied TSP of the bacteriophage P22 (P22TSP), showing a low sequential similarity. Since structures of both TSP's are known, they provide an appropriate system for comparative interaction studies.
An ELISA-like Tailspike-adsorbtion assay (ELITA) was established in this work which allows identification of binding pairs consisting of TSP's and O-antigens. In this approach 9NATSP and P22TSP were used as probes. Their binding to intact bacteria adsorbed to a multi-well plate was tested. In a collection of 44 Salmonella-strains a set of strains was identified which express a binding O-antigen. Additionally different binding efficiencies were observed among the strains of the same O-serotype. Binding data of the ELITA were qualitatively resembled in a FACS-based binding test. Additionally FACS-measurements allowed estimation of the extent of non-stoichiometric modifications of the O-antigens in strains expressing modified O-antigen variants.
The surface plasmone resonance (SPR) interaction-measurements were used to quantify affinities of TSP-O-antigen binding. For this, two carbohydrate immobilization strategies were tested. An O-antigen fragment, produced by enzymatic digestion, was derivatized by a bi-functional Oxamine-spacer. The spacer provides a primary amine-functionality for the immobilization. Despite the successful derivatization, sufficient amount of the O-antigen fragment could not be immobilized. Oppositely, the non-derivatized whole polysaccharide was successfully immobilized. The immobilization was confirmed by SPR-measurements with P22TSP. This approach allows quantitative measurements with polysaccharide as ligand, despite of its polydisperse characteristics.
A set of Salmonella-strains with a distinctively different binding to 9NATSP and P22TSP in ELITA were characterized in terms of the content of their O-antigen by HPLC, capillary gel electrophoresis and MALDI-MS. Non-stoichiometric modifications of the O-antigens as acetylation and glucosylation were identified. The extent of glucosylation correlated negatively with the binding efficiencies to both TSP's, identifying 9NATSP as  more susceptible to the glucosylation. That finding resembles with published data from early studies on the infectivity of bacteriophages 9NA and P22. Observed data could be interpreted in a structural context.
The results of the O-antigen analysis as well as the results of ELITA and FACS-based interaction tests two Salmonella-strains, were identified, which produce almost completely glucosylated O-antigen: Salmonella Brancaster and Salmonella Kalamu. These strains are suitable for further studies to investigate the interdependence of the specificity and the structure of the binding sites of both TSP's.
KW  - Lipopolysaccharid
KW  - O-Antigen
KW  - nicht-stöchiometrische Modifikationen
KW  - Glycosylierung
KW  - Bakteriophagen
KW  - Adhäsionsproteine
KW  - Tailspike
KW  - Protein-Kohlenhydrat Interaktionen
KW  - lipopolysaccharide
KW  - O-antigen
KW  - non-stoichiometric modifications
KW  - glycosylation
KW  - bacteriophages
KW  - adhesion proteins
KW  - Tailspikes
KW  - protein-carbohydrate interactions
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-79529
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlossarek, Dennis
T1  - Identification of dynamic protein-metabolite complexes in saccharomyces cerevisiae using co-fractionation mass spectrometry
T1  - Identifikation von dynamischen Protein-Metabolit Komplexes in Saccharomyces cerevisiae unter Nutzung der Co-Fraktionierungs Massenspektrometrie
N2  - Cells are built from a variety of macromolecules and metabolites. Both, the proteome and the metabolome are highly dynamic and responsive to environmental cues and developmental processes. But it is not their bare numbers, but their interactions that enable life. The protein-protein (PPI) and protein-metabolite interactions (PMI) facilitate and regulate all aspects of cell biology, from metabolism to mitosis. Therefore, the study of PPIs and PMIs and their dynamics in a cell-wide context is of great scientific interest. In this dissertation, I aim to chart a map of the dynamic PPIs and PMIs across metabolic and cellular transitions. As a model system, I study the shift from the fermentative to the respiratory growth, known as the diauxic shift, in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. To do so, I am applying a co-fractionation mass spectrometry (CF-MS) based method, dubbed protein metabolite interactions using size separation (PROMIS). PROMIS, as well as comparable methods, will be discussed in detail in chapter 1. 
Since PROMIS was developed originally for Arabidopsis thaliana, in chapter 2, I will describe the adaptation of PROMIS to S. cerevisiae. Here, the obtained results demonstrated a wealth of protein-metabolite interactions, and experimentally validated 225 previously predicted PMIs. Applying orthogonal, targeted approaches to validate the interactions of a proteogenic dipeptide, Ser-Leu, five novel protein-interactors were found. One of those proteins, phosphoglycerate kinase, is inhibited by Ser-Leu, placing the dipeptide at the regulation of glycolysis.
In chapter 3, I am presenting PROMISed, a novel web-tool designed for the analysis of PROMIS- and other CF-MS-datasets. Starting with raw fractionation profiles, PROMISed enables data pre-processing, profile deconvolution, scores differences in fractionation profiles between experimental conditions, and ultimately charts interaction networks. PROMISed comes with a user-friendly graphic interface, and thus enables the routine analysis of CF-MS data by non-computational biologists.
Finally, in chapter 4, I applied PROMIS in combination with the isothermal shift assay to the diauxic shift in S. cerevisiae to study changes in the PPI and PMI landscape across this metabolic transition. I found a major rewiring of protein-protein-metabolite complexes, exemplified by the disassembly of the proteasome in the respiratory phase, the loss of interaction of an enzyme involved in amino acid biosynthesis and its cofactor, as well as phase and structure specific interactions between dipeptides and enzymes of central carbon metabolism.
In chapter 5, I am summarizing the presented results, and discuss a strategy to unravel the potential patterns of dipeptide accumulation and binding specificities. Lastly, I recapitulate recently postulated guidelines for CF-MS experiments, and give an outlook of protein interaction studies in the near future.
N2  - Die Zelle besteht aus einer Vielzahl von großen und kleinen Molekülen, und sowohl das Proteom als auch das Metabolom passen sich dynamisch den vorherrschenden Umweltbedingungen oder zellulären Anforderungen an. Allerdings ist es nicht die bloße Menge an biologischen Molekülen, sondern deren Interaktionen miteinander, die das Leben erst ermöglichen. Protein-Protein (PPI) und Protein-Metabolit Interaktionen (PMI) vollbringen und regulieren alle Aspekte der Zelle, vom Stoffwechsel bis zur Mitose. Die Studie dieser Interaktionen ist daher von fundamentalem wissenschaftlichem Interesse. In dieser Dissertation strebe ich an, eine Karte der Protein-Protein und Protein-Metabolit Interaktionen zu zeichnen, die den Übergang vom fermentativen zum respiratioschen Stoffwechsel in der Hefe Saccharomyces cerevisiae umfasst. Zu diesem Zweck nutze ich PROMIS (egl. protein metabolite interactions using size separation), eine auf der co-Fraktionierungs Massensprektrometrie (CF-MS) aufbauende Methode. PROMIS, und ähnliche Methoden zur Untersuchung von Protein-Interkationen, werden ausgiebig in Kapitel 1 vorgestellt.
Da PROMIS ursprünglich für die Modellpflanze Arabadopsis thaliana entwickelt wurde, beschreibe ich in Kapitel 2 zunächst die erste Anwendung der Methode in S. cerevisiae. Die Ergebnisse stellen eine Fülle an Protein-Metabolit Interaktionen dar, und 225 zuvor prognostizierte Interaktionen wurden das erste Mal experimentell beschrieben. Mit Hilfe orthogonaler Methoden wurde außerdem eine inhibitorische Interaktion zwischen dem proteinogenen Dipeptid Ser-Leu und einem Enzym der Glykolyse gefunden.
In Kapitel 3 präsentiere ich PROMISed, eine neue Web-Anwendung zur Auswertung von Daten von PROMIS oder anderen CF-MS Experimente. PROMISed kann genutzt werden um in rohen Fraktionierungs-Profile lokale Maxima zu finden, aus denen ein Interaktions-Netzwerk basierend auf Korrelationen erstellt wird. Außerdem kann die Anwendung Unterschiede in den Profilen zwischen verschiedenen experimentellen Bedingungen bewerten. PROMISed umfasst eine benutzerfreundliche grafische Oberfläche und bedarf daher keiner Programmierkenntnisse zur Nutzung.
In Kapitel 4 benutze ich schließlich PROMIS und ItSA (engl. isothermal shift assay) um PPI und PMI während des Übergangs vom fermentativen zum respiratorischen Stoffwechsel in Hefe zu untersuchen. Hier beschreibe ich eine zellweite Umbildung der Protein-Metabolit-Komplexe, bespielhaft beschrieben anhand des Auseinanderfallens des Proteasoms im respiratorischen Stoffwechsel, des Verlustes der Interaktion zwischen einem Enzym des Aminosäure Stoffwechsels mit seinem Cofaktor und spezifischen Interaktionen zwischen Dipeptiden und Enzymen des zentralen Stoffwechsels.
In Kapitel 5 fasse ich die gefundenen Ergebnisse zusammen und stelle eine Strategie zur Untersuchung der Spezifität sowohl der Bildung als auch der Protein-Interaktionen von Dipeptiden vor. Zu aller letzt rekapituliere ich Richtlinien für CF-MS Experimente und gebe einen Ausblick auf die nahe Zukunft der Studien der Protein-Interkationen.
KW  - Protein
KW  - Metabolit
KW  - Interaktion
KW  - Interaktions Netzwerk
KW  - Stoffwechsel
KW  - Saccharomyces cerevisiae
KW  - protein
KW  - metabolite
KW  - interaction
KW  - interaction network
KW  - metabolism
KW  - saccharomyces cerevisiae
KW  - interactomics
KW  - proteomics
KW  - metabolomics
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582826
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlenstedt, Jana
T1  - Molekulare und pharmakologische Charakterisierung von Serotonin-Rezeptoren der Honigbiene Apis mellifera
T1  - Molecular and pharmacological characterization of serotonin receptors of the honeybee Apis mellifera
N2  - Die Honigbiene Apis mellifera gilt seit langem als Modell-Organismus zur Untersuchung von Lern- und Gedächtnisvorgängen sowie zum Studium des Sozialverhaltens und der Arbeitsteilung. Bei der Steuerung und Regulation dieser Verhaltensweisen spielt das Indolalkylamin Serotonin eine wesentliche Rolle. Serotonin entfaltet seine Wirkung durch die Bindung an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs). In der vorliegenden Arbeit wird der erste Serotonin-Rezeptor aus der Honigbiene molekular charakterisiert.  Durch die Anwendung zwei verschiedener Klonierungsstrategien konnten drei cDNA-Sequenzen isoliert werden, die für potentielle Serotonin-Rezeptoren kodieren. Die Sequenzen weisen die größte Ähnlichkeit zu dem 5-HT7- und 5-HT2-Rezeptor von Drosophila melanogaster bzw. dem 5-HT1-Rezeptor von Panulirus interruptus auf. Die isolierten Serotonin-Rezeptoren der Honigbiene wurden dementsprechend Am(Apis mellifera)5-HT1, Am5-HT2 und Am5-HT7 benannt.  Das Hydropathieprofil des Am5-HT1-, Am5-HT2- und Am5-HT7-Rezeptors deutet auf das Vorhandensein des charakteristischen heptahelikalen Aufbaus G-Protein-gekoppelter Rezeptoren hin. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen zeigen typische Merkmale biogener Amin-Rezeptoren. Aminosäuren, die eine Bedeutung bei der Bildung der Liganden-Bindungstasche, der Rezeptor-Aktivierung und der Kopplung eines G-Proteins an den Rezeptor haben, sind in allen drei Rezeptoren konserviert. Interessanterweise ist jedoch das in den meisten biogenen Amin-Rezeptoren vorhandene DRY-Motiv in dem Am5-HT2- und Am5-HT7-Rezeptor nicht konserviert. Das Vorhandensein einer PDZ-Domäne in dem Am5-HT1- und Am5-HT7-Rezeptor lässt vermuten, dass diese Rezeptoren als Adapterproteine fungieren, die Signalmoleküle zu einem Signaltransduktionskomplex vereinigen.  RT-PCR-Experimente zeigen die Expression der Rezeptoren in verschiedenen Geweben der Honigbiene. Auffallend ist die hohe Expression im Zentralgehirn. Des Weiteren konnte die Expression der Serotonin-Rezeptoren in den optischen Loben, Antennalloben sowie in der Peripherie, d.h. in der Flugmuskulatur und den Malpighischen Gefäßen nachgewiesen werden. Durch in situ Hybridisierungen wurde die Expression in Gefrierschnitten von Gehirnen adulter Sammlerinnen im Detail untersucht. Transkripte der Rezeptoren sind in den Somata von intrinsischen Pilzkörperzellen, Neuronen der optischen Loben und Neuronen der Antennalloben vorhanden.  In einem heterologen Expressionssystem wurde der intrazelluläre Signalweg des Am5-HT7-Rezeptors untersucht. Die Aktivierung des stabil exprimierten Rezeptors durch Serotonin führt zur Bildung von cAMP. Der 5-HT7-Rezeptor spezifische Agonist 5-CT zeigt eine mit Serotonin vergleichbare Fähigkeit, die intrazelluläre cAMP-Konzentration zu erhöhen. Am5-HT7 gehört daher funktionell zu der Gruppe der 5-HT7-Rezeptoren. Der EC50-Wert von 1,06~nM (5-HT), ist im Vergleich zu anderen 5-HT7-Rezeptoren äußert niedrig. Des Weiteren wurde gezeigt, dass das basale cAMP-Niveau in den transfizierten Zellen im Vergleich zu nicht transfizierten Zellen deutlich erhöht ist. Das heißt, dass der Rezeptor auch in der Abwesenheit eines Liganden aktiv ist. Diese konstitutive Aktivität ist auch von anderen biogenen Amin-Rezeptoren bekannt. Methiothepin wurde als wirksamer inverser Agonist des Am5-HT7-Rezeptors identifiziert, da es in der Lage ist, der konstitutiven Aktivität entgegenzuwirken. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass die Serotonin-Rezeptoren in verschiedenen Regionen des ZNS der Honigbiene an der Informationsverarbeitung beteiligt sind. Es kann eine Beeinflussung von Lern- und Gedächtnisprozessen sowie des olfaktorischen und visuellen Systems durch diese Rezeptoren vermutet werden. Mit der Klonierung und funktionellen Charakterisierung des ersten Serotonin-Rezeptors der Honigbiene ist eine Grundlage für die Untersuchung der molekularen Mechanismen der serotonergen Signaltransduktion geschaffen worden.
N2  - The honeybee Apis mellifera is a model organism for studying insect division of labor, learning and memory. An important substance that has been implicated in the control and regulation of these phenomena is the indolalkylamine serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) Pharmacological and functional studies indicate, that serotonin activates various receptor subtypes which predominantly belong to the family of G protein-coupled receptors (GPCRs). Using a homology based screening approach on a brain-specific cDNA library of the honeybee and a PCR-based strategy we have isolated cDNAs encoding three putative serotonin receptors. The deduced amino acid sequences of these putative honeybee serotonin receptors show the highest homology to a 5-HT7 and a 5-HT2 receptor from Drosophila melanogaster and a 5-HT1 receptor from Panulirus interruptus, respectively. We have studied the distribution of the respective 5-HT receptor mRNAs in several tissues of the honeybee by RT-PCR. The analysis revealed a high amount in the central brain. By using in situ-hybridization we detected receptor encoding mRNA in cryostat sections of honeybee brain. We could prove receptor transcripts in neurons of the optic lobes, intrinsic mushroom body neurons, and deutocerebral neurons.  In a HEK 293 cell line, stably expressing the 5-HT7 receptor protein, we investigated the intracellular signalling pathway. When activated by serotonin, the heterologous expressed 5-HT7 receptor induces an increase in intracellular cAMP levels ([cAMP]i). The stimulation with other biogenic amines (octopamine, tyramine, and dopamine) did not induce a significant change in [cAMP]i Furthermore, Am5-HT7 causes a significant increase in the non-agonist stimulated cAMP levels relative to those of non-transfected cells. Therefore, the Am5-HT7 receptor displays agonist-independent (constitutive) activity which has also been demonstrated for many other GPCRs.  A specific affinity-purified anti-Am5-HT7 antibody detected a protein band of the expected size of ~66 kDa in homogenates of honeybee brains and HEK 293 cells expressing the Am5-HT7 receptor.
KW  - Biogene Amine
KW  - Serotonin
KW  - Serotoninrezeptor
KW  - Biene
KW  - Pharmakologie
KW  - Lernen und Gedächtnis
KW  - pharmakologisches Profil
KW  - Gewebsverteilung
KW  - serotonin
KW  - biogenic amine
KW  - receptor
KW  - honeybee
KW  - pharmacology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7203
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schirmack, Janosch
T1  - Activity of methanogenic archaea under simulated Mars analog conditions
T1  - Aktivität methanogener Archaeen unter simulierten Marsanalogen Bedingungen
N2  - Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars.
Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis.
It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected. 
The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface.
N2  - Die Vermutung vergleichbarer Umweltbedingungen des frühen Mars und der frühen Erde vor 3,7 Mrd. Jahren – der Zeitpunkt, zu dem die ersten fossilen Spuren des Lebens auf der Erde gefunden werden konnten – weisen auf die Möglichkeit hin, dass das Leben auf beiden Planeten parallel entstanden sein könnte. Als die Bedingungen auf dem Mars schlechter wurden, ist das hypothetische Leben dort entweder ausgestorben, oder es war in der Lage sich anzupassen und könnte noch heute in biologischen Nischen auf dem Planeten existieren. Die kontrovers diskutierte Detektion von Methan auf dem Mars führte zu der Annahme, dass dieses einen rezenten Ursprung haben muss – entweder abiotisch durch aktiven Vulkanismus oder chemische Prozesse oder aber durch biogene Produktion. Räumliche und saisonale Schwankungen der durch Fernerkundung gemessenen Methankonzentrationen, sowie die Korrelation zwischen dem Auftreten von Wasserdampf und im Untergrund detektiertem Wasserstoff zusammen mit lokal erhöhten Konzentrationen von Methan, befürworten die Hypothese einer biologischen Methanquelle auf dem Mars.
Daher werden methanogene Archaeen, welche sich unter den Bedingungen der frühen Erde entwickelt haben, oft als Modellorganismen in astrobiologischen Studien zu potentiellem Leben auf unserem benachbarten Planeten Mars verwendet. In dieser Dissertation wurden methanogene Archaeen aus zwei extremen Habitaten auf der Erde auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, unter simulierten Mars-analogen Bedingungen aktiven Metabolismus zu zeigen. Die beiden extremen Habitate – der active layer des sibirischen Permafrosts und das auf Chemoautotrophie basierende terrestrische Ökosystem der Movile Höhle in Rumänien – gelten als Analoga für mögliche Habitate auf dem Mars. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Arten von methanogenen Archaeen beschrieben, die aus den beiden genannten extremen Habitaten isoliert worden sind.
In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass Mars-Regolith-Analoga, in Konzentrationen bis zu 1 Gew.-% zum Wachstumsmedium hinzugefügt, einen positiven Einfluss auf die Methanbildungsraten der getesteten Archaeen hatten, während höhere zugefügte Konzentrationen sinkende Raten verursachten. Dennoch war es den Organismen möglich, auf wassergesättigten künstlichen Böden aus Mars-Regolith-Analoga Methan zu produzieren, auch ohne Zugabe jeglicher weiterer Nährstoffe. Die Resistenz gegenüber Langzeit-Austrocknung von mehr als 400 Tagen wurde mittels Reinkubation sowie indirekter Zellzahlbestimmung von lebensfähigen Zellen nachgewiesen. Dies erfolgte durch eine Kombinationsbehandlung mit Propidium-Monoazide (zur Inaktivierung der DNA aus Zellen mit zerstörter Membran) und quantitativer PCR. Regolith-Analoga mit einem hohen Anteil an Phyllosilikaten schienen die besten Bodenmischungen für die metabolische Aktivität der getesteten methanogenen Archaeen unter Marsanalogen Bedingungen zu liefern. Des Weiteren konnte mittels einer Simulationskammer für den Permafrost-Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 Methanbildung unter Bedingungen analog zum Marsuntergrund nachgewiesen werden. Durch Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie konnte die Zunahme der Methankonzentration bei Temperaturen bis zu -5 °C gemessen werden.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erweitern das Verständnis des Potenzials der methanogenen Archaeen, unter Mars-analogen Bedingungen aktiv sein zu können und vermitteln Einblicke in die mögliche Habitabilität vom heutigen Marsuntergrund. Außerdem tragen sie zur Interpretation der Daten von zukünftigen Marsmissionen zur Erkundung von möglichem Leben auf dem Planeten bei. Ein Beispiel hierfür könnte die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Roskosmos sein, welche im Jahr 2018 gestartet werden soll und bestrebt ist, in den Marsuntergrund zu bohren.
KW  - methanogenic archaea
KW  - Mars
KW  - simulation experiments
KW  - long-term desiccation
KW  - Martian regolith analogs
KW  - methanogene Archaeen
KW  - Mars
KW  - Marsanaloge Regolithe
KW  - Simulationsexperimente
KW  - Langzeitaustrocknung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73010
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schewe, Bettina
T1  - Räumliche und zeitliche Aspekte der intrazellulären pH-Regulation in Epithelien
T1  - Spatial and temporal characteristics of intracellular pH-regulation in epithelial cells
N2  - Die Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina produzieren bei Stimulierung mit dem Neurohormon Serotonin (5-Hydroxytryptamine, 5-HT) einen KCl-reichen Primärspeichel. Der transepitheliale K+-Transport wird durch eine apikal lokalisierte vakuoläre H+-ATPase (V-ATPase) energetisiert. Stimulierung der Speicheldrüsen mit 5-HT aktiviert die apikale V-ATPase, die Protonen aus der Zelle in das Drüsenlumen transportiert. Trotz des auswärts gerichteten Protonentransportes führt die 5-HT-Stimulierung kurioserweise zu einer intrazellulären Ansäuerung. Die Ursachen dieser 5-HT-induzierten Ansäuerung waren unzureichend untersucht. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit die Identifikation aller Transporter, die an der intrazellulären pH-(pHi)-Regulation in unstimulierten Speicheldrüsen von Calliphora vicina beteiligt sind und an der Entstehung und Regulation der 5-HT-induzierten pHi-Änderungen mitwirken. Von besonderem Interesse war hierbei die funktionelle Mitwirkung der V-ATPase, deren Beteiligung an der pHi-Regulation in tierischen Zellen bisher wenig untersucht war. Wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit waren: • Messungen des pHi-Wertes in der unstimulierten Drüse zeigten, dass vor allem die V-ATPase und mindestens ein Na+-abhängiger HCO3--Transporter an der Aufrechterhaltung des Ruhe-pHi beteiligt sind. • Zur Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Ansäuerung (NH4Cl-Vorpuls) tragen ebenfalls im Wesentlichen die V-ATPase und mindestens ein Na+-abhängiger HCO3--Transporter bei. Der Na+/H+-Antiporter hat in der unstimulierten Drüse keinen messbaren Einfluss auf den Ruhe-pHi. • Die Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Alkalisierung (Na-acetat-Vorpuls) ist Cl--abhängig, aber auch unter extremen Bedingungen waren die Zellen noch in der Lage sich vollständig von einer intrazellullären Alkalisierung zu erholen. Einen entscheidenden Anteil daran hat offenbar die hohe intrazelluläre Pufferkapazität. • Ein Na+-abhängiger Glutamat-Transporter ist per se kein pHi-regulierender Transporter, seine Aktivität hat jedoch Einfluss auf den Ruhe-pHi in der unstimulierten Speicheldrüse von Calliphora vicina. • 10 nM 5-HT induzieren in den Calliphora Speicheldrüsen eine intrazelluläre Ansäuerung. An dieser Ansäuerung ist der Na+/H+-Antiporter entscheidend beteiligt. Auch eine klare Cl--Abhängigkeit der 5-HT-induzierten Ansäuerung konnte beobachtet werden. Wahrscheinlich ist eine gekoppelte Aktivität von Na+/H+-Antiporter und Cl-/HCO3--Antiporter. • Messungen mit einem O2-empfindlichen Fluoreszenzfarbstoff zeigten, dass Stimulierung der Speicheldrüsen mit 5-HT die Zellatmung aktivierte. Der cAMP- und der IP3/Ca2+-Weg tragen auf komplexe Weise zu der 5-HT-induzierten Aktivierung der Zellatmung und damit auch zu den 5-HT-induzierten pHi-Änderungen bei. • Mit molekularbiologischen Untersuchungen ist es gelungen den Na+-abhängigen Glutamat-Transporter, den Na+/H+-Antiporter, die Carboanhydrase und die Untereinheit C der V-ATPase in den Calliphora Speicheldrüsen direkt nachzuweisen. Zudem konnte erstmals der direkte Nachweis für die Expression eines nH+/K+-Antiporters in den Speicheldrüsen von Calliphora vicina erbracht werden. Diese Arbeit trug ganz wesentlich zum Verständnis der pHi-Regulation in der unstimulierten und stimulierten Speicheldrüse von Calliphora vicina bei. Mechanismen die zur Aufrechterhaltung und Wiederherstellung des Ruhe-pHi nach einer intrazellulären Ansäuerung bzw. Alkalisierung beitragen, konnten mit pHi-Messungen und auch molekularbiologisch nachgewiesen werden. Die Mechanismen, welche die 5-HT-induzierte intrazelluläre Ansäuerung verursachen, konnten ebenfalls aufgeklärt werden. Zudem wurde an den Calliphora Speicheldrüsen eine neue optische Methode zur Messung des O2-Verbrauchs in tierischen Geweben etabliert.
N2  - The tubular salivary glands of the blowfly Calliphora vicina consist of a single layer of epithelial cells. Stimulation with the neurohormone serotonin (5-hydroxytryptamine,5-HT) induces the secretion of a KCl-rich primary saliva. Transepithelial K+-transport is energized by a vacuolar-type H+-ATPase (V-ATPase) which is located in the apical membrane. 5-HT stimulates the apical V-ATPase which transports protons out of the cells into the lumen of the glands. Despite this outward directed proton transport, 5-HT stimulation leads to an intracellular acidification. The causes of this intracellular acidification were poorly understood. Therefore the aim of this thesis was the identification of all pHi regulating transporters which are involved in pHi regulation in the unstimulated salivary glands of Calliphora vicina and which contribute to the 5-HT-induced pHi changes. Of special interest was the functional role of the V-ATPase,whose contribution to pHi regulation in animal cells is, as yet, not well studied. Key results were: • pHi measurements in unstimulated glands showed that mainly the V-ATPase and at least one Na+-dependent HCO3--transporter are involved in maintenance of resting pHi. • V-ATPase and at least one Na+-dependent HCO3--transporter are also necessary for the recovery from an intracellular acidification (NH4Cl prepulse). • Recovery from an intracellular alkali load (Na-acetate prepulse) is partially Cl--dependent. • A Na+ dependent gluatamate-transporter is present in Calliphora salivary glands and its activity affects the resting pHi. • 10 nM 5-HT induce an intracellular acidification. This acidification is Na+-dependent, EIPA-sensitive and also Cl--dependent. No DIDS-sensitivity was observed. A coupled activity of a Na+/H+-antiporter and a Cl-/HCO3- -antiporter was suggested. • Using O2-sensitive fluorescent microbeads I could show that 5-HT stimulation of the Calliphora salivary glands activates cellular respiration. The cAMP and Ca2+-signalling pathways contribute in a complex manner to the 5-HT-induced activation of cellular respiration and consequently, also to the 5-HT-induced intracellular acidification. • The expression of a Na+ dependent glutamate-transporter, a Na+/H+-antiporter, a carbonic anhydrase, subunit C of the V-ATPase and a nH+/K+-antiporter were determined on mRNA level by RT-PCR. This thesis contributes significantly to the understanding of pHi regulation in unstimulated and stimulated salivary glands of Calliphora vicina. Mechanisms which contribute to the maintenance and recovery of resting pHi were identified by using pHi measurements and molecular biological techniques. Mechanisms which are responsible for the 5-HT-induced intracellular acidification were also clarified. Furthermore a new optical method for measuring O2 consumption in animals cells was established by using the Calliphora salivary glands as a model.
KW  - pH-Regulation
KW  - V-ATPase
KW  - Speichelsekretion
KW  - Epithelien
KW  - Calliphora
KW  - pH-regulation
KW  - V-ATPase
KW  - saliva secretion
KW  - epithelia
KW  - Calliphora
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-26879
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TY  - THES
A1  - Scherling, Christian
T1  - Environmental Metabolomics - Metabolomische Studien zu Biodiversität, phänotypischer Plastizität und biotischen Wechselwirkungen von Pflanzen
T1  - Environmental Metabolomics - metabolic investigations of plants in response to biodiversity, phenotypic plasticity and biotic interactions
N2  - Ein genereller Ansatz zur Charakterisierung von biologischen Systemen bietet die Untersuchung des Metaboloms, dessen Analyse als „Metabolomics“ bezeichnet wird. “Omics”- Technologien haben das Ziel, ohne Selektionskriterien möglichst alle Bestandteile einer biologischen Probe zu detektieren (identifizieren und quantifizieren), um daraus Rückschlüsse auf nicht vorhersehbare und somit neuartige Korrelationen in biologischen Systemen zu ziehen. Ein zentrales Dogma in der Biologie besteht in der Kausalität zwischen Gen – Enzym – Metabolite. Perturbationen auf einer Ebene rufen systemische Antworten hervor, die in einem veränderten Phänotyp münden können. Metabolite sind die Endprodukte von zellulären regulatorischen Prozessen, deren Abundanz durch die Resonanz auf genetische Modifikationen oder Umwelteinflüsse zurückzuführen ist. Zudem repräsentieren Metabolite ultimativ den Phänotyp eines Organismus und haben die Fähigkeit als Biomarker zu fungieren. Die integrale Analyse verschiedenster Stoffwechselwegen wie Krebszyklus, Pentosephosphatzyklus oder Calvinzyklus offeriert die Identifikation von metabolischen Mustern. In dieser Arbeit wurden sowohl das targeted Profiling via GC-TOF-MS als auch das untargeted Profiling via GC-TOF-MS und LC-FT-MS als analytische Strategien genutzt, um biologische Systeme anhand ihrer Metabolite zu charakterisieren und um physiologische Muster als Resonanz auf endogene oder exogene Stimuli zu erkennen. Dabei standen die metabolische, phänotypische und genotypische Plastizität von Pflanzen im Fokus der Untersuchungen. Metabolische Varianzen eines Phänotyps reflektieren die genotyp-abhängige Resonanz des Organismus auf umweltbedingte Parameter (abiotischer und biotischer Stress, Entwicklung) und können mit sensitiven Metabolite Profiling Methoden determiniert werden. Diese Anwendungen haben unter anderem auch zum Begriff des „Environmental Metabolomics“ geführt. In Kapitel 2 wurde der Einfluss biotischer Interaktionen von endophytischen Bakterien auf den Metabolismus von Pappelklonen untersucht; Kapitel 3 betrachtet die metabolische Plastizität von Pflanzen im Freiland auf veränderte biotische Interaktionsmuster (Konkurrenz/Diversität/Artenzusammensetzung); Abschließend wurde in Kapitel 4 der Einfluss von spezifischen genetischen Modifikationen an Peroxisomen und den daraus resultierenden veränderten metabolischen Fluss der Photorespiration dargestellt. Aufgrund der sensitiven Analyse- Technik konnten metabolische Phänotypen, die nicht zwingend in einen morphologischen Phänotyp mündeten, in drei biologischen Systemen identifiziert und in einen stoffwechselphysiologischen Kontext gestellt werden. Die drei untersuchten biologischen Systeme – in vitro- Pappeln, Grünland- Arten (Arrhenatherion-Gesellschaft) und der Modellorganismus (Arabidopsis) – belegten anschaulich die Plastizität des Metabolismus der Arten, welche durch endogene oder exogene Faktoren erzeugt wurden.
N2  - A general approach to characterise biological systems offers the analysis of the metabolome, named “metabolomics”. “Omics”- technologies are untargeted approaches without any selection criteria which aim to detect every potential analyte in a sample in order to draw conclusions about new correlations in biological systems. A central dogma in biology is the causality between gene – enzyme – metabolite. Perturbations on one level are reflected in systemic response, which possibly result in a changed phenotype. Metabolites are end products of its gene expression and metabolism, whose abundance is determined as a resonance of genetic modifications or environmental disturbance. Furthermore metabolites represent the ultimate phenotype of an organism and are able to act as a biomarker. The integral analysis of distinct metabolic pathways like TCA, Pentose phosphate and Calvin cycle consequently leads to the identification of metabolic patterns. In this work targeted profiling via GC-TOF-MS as well as untargeted profiling via GC-TOF-MS and LC-FT-MS were used as analytical strategies to characterise biological systems on the basis of their metabolites and to identify physiological patterns as resonance of endogenic or exogenic stimuli. The focus of the investigations concentrates on the metabolic, phenotypic and genotypic plasticity of plants. Metabolic variance of a phenotype is reflected in the genotypic dependence response of an organism on environmental parameters which may be detected via sensitive metabolic profiling methods. In chapter 2 the influence of biotic interaction of endophytic bacteria on the metabolism of their poplar host was analyzed; chapter 3 explores the metabolic plasticity of field-grown grassland species as a consequence of biotic interaction pattern (competition / diversity / species composition); In conclusion, chapter 4 illustrates the influence of specific genetic modifications on peroxisomes and the consequent changed metabolic flux in the photorespiration pathway. Due to the sensitive analytic methods, metabolic phenotypes in all three biological systems could be identified and classified in a physiological context. The three biological systems – in vitro poplar plants, field-grown grassland species and the model organism Arabidopsis – demonstrate the plasticity of the metabolism of species in response to stimuli.
KW  - Environmental Metabolomics
KW  - metabolischer Phänotyp
KW  - Metabolite Profiling
KW  - GC-TOF-MS
KW  - LC-FT-MS
KW  - environmental metabolomics
KW  - metabolic plasticity
KW  - metabolite profiling
KW  - GC-TOF-MS
KW  - LC-FT-MS
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32411
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TY  - THES
A1  - Scheinemann, Hendrik Alexander
T1  - Hygienisierung von Rindergülle und Klärschlämmen mittels milchsaurer Fermentation
T1  - Hygienisation of sewage sludge or cattle manure by lactic acid fermentation
N2  - Tierische und menschliche Fäkalien aus Landwirtschaft und Haushalten enthalten zahlreiche obligat und opportunistisch pathogene Mikroorganismen, deren Konzentration u. a. je nach Gesundheitszustand der betrachteten Gruppe schwankt. Neben den Krankheitserregern enthalten Fäkalien aber auch essentielle Pflanzennährstoffe (276) und dienen seit Jahrtausenden (63) als Dünger für Feldfrüchte. Mit der unbedarften Verwendung von pathogenbelastetem Fäkaldünger steigt jedoch auch das Risiko einer Infektion von Mensch und Tier. Diese Gefahr erhöht sich mit der globalen Vernetzung der Landwirtschaft, z. B. durch den Import von kontaminierten Futter- bzw. Lebensmitteln (29).
Die vorliegende Arbeit stellt die milchsaure Fermentation von Rindergülle und Klärschlamm als alternative Hygienisierungsmethode gegenüber der Pasteurisation in Biogasanlagen bzw. gebräuchlichen Kompostierung vor. 
Dabei wird ein Abfall der Gram-negativen Bakterienflora sowie der Enterokokken, Schimmel- und Hefepilze unter die Nachweisgrenze von 3 log10KbE/g beobachtet, gleichzeitig steigt die Konzentration der Lactobacillaceae um das Tausendfache. Darüber hinaus wird gezeigt, dass pathogene Bakterien wie Staphylococcus aureus, Salmonella spp., Listeria monocytogenes, EHEC O:157 und vegetative Clostridum perfringens-Zellen innerhalb von 3 Tagen inaktiviert werden. Die Inaktivierung von ECBO-Viren und Spulwurmeiern erfolgt innerhalb von 7 bzw. 56 Tagen. Zur Aufklärung der Ursache der beobachteten Hygienisierung wurde das fermentierte Material auf flüchtige Fettsäuren sowie pH-Wertänderungen untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass die gemessenen Werte nicht die alleinige Ursache für das Absterben der Erreger sind, vielmehr wird eine zusätzliche bakterizide Wirkung durch eine mutmaßliche Bildung von Bakteriozinen in Betracht gezogen. Die parasitizide Wirkung wird auf die physikalischen Bedingungen der Fermentation zurückgeführt. 
Die methodischen Grundlagen basieren auf Analysen mittels zahlreicher klassisch-kultureller Verfahren, wie z. B. der Lebendkeimzahlbestimmung. Darüber hinaus findet die MALDI-TOF-Massenspektrometrie und die klassische PCR in Kombination mit der Gradienten-Gelelektrophorese Anwendung, um kultivierbare Bakterienfloren zu beschreiben bzw. nicht kultivierbare Bakterienfloren stichprobenartig zu erfassen.
Neben den Aspekten der Hygienisierung wird zudem die Eignung der Methode für die landwirtschaftliche Nutzung berücksichtigt. Dies findet sich insbesondere in der Komposition des zu fermentierenden Materials wieder, welches für die verstärkte Humusakkumulation im Ackerboden optimiert wurde. Darüber hinaus wird die Masseverlustbilanz während der milchsauren Fermentation mit denen der Kompostierung sowie der Verarbeitung in der Biogasanlage verglichen und als positiv bewertet, da sie mit insgesamt 2,45 % sehr deutlich unter den bisherigen Alternativen liegt (73, 138, 458). Weniger Verluste an organischem Material während der Hygienisierung führen zu einer größeren verwendbaren Düngermenge, die auf Grund ihres organischen Ursprungs zu einer Verstärkung des Humusanteiles im Ackerboden beitragen kann (56, 132).
N2  - Manure from animal farms and sewage sludge contain pathogens and opportunistic organisms in various concentrations depending on the health of the herds and human sources. Other than for the presence of pathogens, these waste substances are excellent nutrient sources and constitute a preferred organic fertilizer. However, because of the pathogens, the risks of infection of animals or humans increase with the indiscriminate use of manure, especially liquid manure or sludge, for agriculture. This potential problem can increase with the global connectedness of animal herds fed imported feed grown on fields fertilized with local manures. This paper describes a simple, easy-to-use, low-tech hygienization method which conserves nutrients and does not require large investments in infrastructure. The proposed method uses the microbiotic shift during mesophilic fermentation of cow manure or sewage sludge during which gram-negative bacteria, enterococci and yeasts were inactivated below the detection limit of 3 log10 cfu/g while lactobacilli increased up to a thousand fold. Pathogens like Salmonella, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, E. coli EHEC O:157 and vegetative Clostridium perfringens were inactivated within 3 days of fermentation. In addition, ECBO-viruses and eggs of Ascaris suum were inactivated within 7 and 56 days, respectively. Compared to the mass lost through composting (15–57%), the loss of mass during fermentation (< 2.45%) is very low and provides strong economic and ecological benefits for this process. This method might be an acceptable hygienization method for developed as well as undeveloped countries, and could play a key role in public and animal health while safely closing the nutrient cycle by reducing the necessity of using energy-inefficient inorganic fertilizer for crop production.
Scheinemann HA, Dittmar K, Stöckel FS, Müller H, Krüger ME (2015) Hygienisation and Nutrient Conservation of Sewage Sludge or Cattle Manure by Lactic Acid Fermentation. PLoS ONE 10(3): e0118230. doi:10.1371/journal.pone.0118230
KW  - pathogene Bakterien
KW  - organischer Dünger
KW  - terra preta
KW  - Salmonella
KW  - Schwarzerde
KW  - Stoffkreislauf
KW  - öffentliche Gesundheit
KW  - terra preta
KW  - salmonella
KW  - black earth
KW  - fertiliser
KW  - pathogen bacteria
KW  - compost
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77949
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TY  - THES
A1  - Scheidig, Andreas
T1  - Molekulare Untersuchungen zum Stärkeabbau in vegetativen Pflanzenteilen
T1  - Molecular investigations in starch degradation in plants
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden cDNAs, kodierend für bisher unbekannte stärkeabbauende Enzyme, aus Kartoffel isoliert und funktionell analysiert. Die Isolation der cDNAs erfolgte mit Hilfe eines Systems, welches sich der funktionellen Expression von cDNA-Bibliotheken in E. coli bediente. Die mit diesem System zur Expression gebrachten cDNA-Bibliotheken wurden im Rahmen dieser Arbeit hergestellt. Zum einen handelte es sich um eine blattspezifische Phagen-cDNA-Bibliothek (Proben wurden während des Tag/Nacht Übergangs genommen), zum anderen um eine knollenspezifische cDNA-Bibliothek aus kaltgelagerten Knollen. Nach der Überführung der Phagen-Bibliotheken in Plasmid-Bibliotheken wurden diese funktionell in dem E. coli Stamm KV832 exprimiert. Der Stamm KV832 wurde aufgrund seiner Fähigkeit, lineare Glucane zu akkumulieren, ausgewählt. Werden Glucan akkumulierende KV832 Kolonien mit Jod bedampft, so zeigen diese eine typische Blaufärbung. Nach der Expression der Plasmid-Bibliotheken in KV832 wurden solche Kolonien weiter untersucht, welche in ihrer Färbung von den blauen Kolonien abwichen. Mittels eines zweiten E. coli Stamms, PGM −, welcher ebenfalls in der Lage ist, lineare Glucane zu akkumulieren, wurden die Ergebnisse für KV832 bestätigt. Die funktionelle Expression der Bibliotheken führte zur Isolation einer Reihe von unbekannten cDNAs. Zwei dieser cDNAs wurden im Rahmen dieser Arbeit weiterführend untersucht. Zum einen handelte es sich um eine cDNA, die für eine bis dahin unbekannte β-Amylase aus Kartoffel kodierte und deren Homolog aus Arabidopsis (CT-BMY) im Laufe dieser Arbeit von Lao et al. (1999) veröffentlicht wurde, zum anderen um eine cDNA, die für ein unbekanntes Enzym kodierte (DSD10). Das Arabidopsis Homolog zu DSD10 wurde im Zuge der Arabidopsis Genominitiative Ende 2000 publiziert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die isolierte β-Amylase cDNA für eine funktionelle β-Amylase kodiert und dieses Enzym in der Lage ist, neben löslicher auch rohe Stärke anzugreifen. Lokalisationsexperimente zeigten, dass das Enzym in isolierte Erbsenchloroplasten importiert wurde und dass die 100 N-terminalen Aminosäuren für den Import in die Plastiden ausreichten. Die β-Amylase wurde als PCT-BMYI bezeichnet. Die »antisense«-Inhibierung von PCT-BMYI führte zu einem Hochstärke-Phänotyp der Blätter, sowie zu einem Anstieg der Trockenmasse. Der Hochstärke-Phänotyp ist auf eine Reduktion der Stärkemobilisierung und die daraus folgende Akkumulation der Stärke während der Vegetationsperiode zurückzuführen. Damit konnte erstmals die physiologische Bedeutung einer β-Amylase für den Abbau der transitorischen Stärke gezeigt werden. Kein Einfluss zeigte die »antisense« Inhibierung von PCT-BMYI auf den kälteinduzierten Abbau der Speicherstärke in Knollen. Es konnte auch kein Unterschied im Keimverhalten oder der Entwicklung der neuen Pflanze beobachtet werden. Ein Teil der Ergebnisse zu PCT-BMYI wurde bereits publiziert (Scheidig et al., 2002). Die isolierten cDNAs dsd10, sgeI (die Volllängen cDNA zu dsd10) und das Arabidopsis Homolog asgeI kodieren für Enzyme, welche α-Amylase-Aktivität besitzen, aber keine Homologie zu bekannten α-Amylasen aufweisen. Ein mögliches Glucoamylase Motiv erwies sich für die Aktivität des Proteins als essentiell. Lokalisationsexperimente deuteten auf den Import des SGEI Proteins in isolierte Erbsenchloroplasten hin. Die »antisense«-Inhibierung von sgeI führte in den entsprechenden Linien zu einem Hochstärke-Phänotyp in Blättern, einem Anstieg der Trockenmasse in Blättern, sowie zu größeren Stärkekörnern in einer der untersuchten Linien. Ein nicht erwarteter Effekt zeigte sich in Blättern der entsprechenden Linien, welche für längere Zeit dunkel gehalten wurden. Die Blätter der untransformierten Kontrolle waren abgestorben, wohingegen die Blätter der SGEI »antisense« Linien grün und vital erschienen. Die α- und β-Amylase-Aktivität war in Blättern der SGEI »antisense« Linien reduziert, weshalb eine genaue Zuordnung der Funktion von SGEI nicht möglich war. Die vorliegenden Ergebnisse zu den SGEI »antisense« Linien deuten aber darauf hin, dass der beobachtete Hochstärke-Phänotyp nicht alleine auf die Reduktion der β-Amylase-Aktivität zurückzuführen ist. Ein Einfluss von SGEI auf den kälteinduzierten Abbau der Speicherstärke konnte nicht beobachtet werden. Es konnte auch hier kein Unterschied im Keimverhalten oder der Entwicklung der neuen Pflanze beobachtet werden.
N2  - In the presented work, previously unidentified starch metabolic genes from potato were isolated and functionally characterized. Gene isolation proceeded using a cDNA library system that allows the functional expression of potato genes in E. coli. The generated libraries included 1) a phage vector-based, leaf-specific cDNA library generated from mRNA isolated during the day/night transition and 2) a phage vector-based, tuber-specific cDNA library generated from mRNA isolated from potato tubers after cold storage. After in vivo mass Excision of the phage library, the resulting plasmid libraries were functionally expressed in E. coli strain, KV832. This strain was selected for its ability to accumulate linear glucans. Reaction with iodine vapour in glucan-producing KV832 colonies results in a characteristic blue hue. The expression library was thus screened for colonies in which the blue hue was diminished, a potential indicator of the expression of starch degrading enzymes. Library clones from the selected colonies were reconfirmed in PGM−, an alternative E. coli that also accumulates linear glucans. The above expression and screening program allowed isolation of a series of previously uncharacterized cDNA clones. Two such clones were investigated in depth in the remainder of the presented work. The first of these cDNA clones comprised a gene for a hitherto unidentified β-amylase function. The second encoded a functional truncation of a previously unknown enzyme, and was designated DSD10. The full length version of this gene was isolated and designated sgeI. Homologs of both full-length genes have since been identified in Arabidopsis: the former was published as CT-BMY by Lao et al. (1999), while the latter was published in the course of the Arabidopsis Genome Initiative at the end of 2000. Demonstrated in the course of this work is that the first of these isolated amylase cDNAs encodes a functional β-amylase enzyme that hydrolyses raw as well as soluble starch. Enzyme localization experiments showed that the 100 N-terminal amino acids are sufficient to effect import into isolated pea chloroplasts, which is supportive of plastid-targeted localization in potato. This novel β-amylase was designated as PCT-BMYI. Whole-plant antisense inhibition of PCT-BMYI in the potato plant resulted in a high-starch phenotype in the leaf, as well as to an increase in leaf dry weight. The high-starch phenotype was caused by a reduction in starch mobilization and the resulting accumulation of starch during the vegetative phase. This represents the first demonstration of the physiological role of a β-amylase in the metabolism of transitory starch deposits. In contrast to its role in the leaf, antisense inhibition of PCT-BMY1 resulted in no observable alteration in cold-induced metabolism of storage starch in the potato tuber. Additionally, inhibition of PCT-BMY1 resulted in no observable alteration in tuber sprouting, nor in the development of the potato plants. A portion of the results regarding PCT-BMYI have been published (Scheidig et al., 2002). The second isolated gene, sgeI, and its Arabidopsis homolog, asgeI, encode enzymes with α-amylase activity, but neither show homology to known α-amylases. A putative glucoamylase motif, however, was found to be essential for activity of the sgeI gene product, SGEI. As was the case for PCT-BMY1, localization experiments demonstrated import of SGEI into isolated pea chloroplasts, again suggesting plastid localization in potato. Antisense inhibition of sgeI in potato lead to a high-starch phenotype in the leaf and an increase in the leaf dry weight, but also to an increase in starch granule size in one of the studied potato lines. Longer term storage of such lines in the absence of light resulted in an unexpected phenomenon. While the wild type control leaves withered and died within days, the sgeI antisense lines appeared green and healthy for over two weeks. The reason for this may be the metabolism of the stored, hyper-accumulated starch, both due to and despite the initial antisense suppression of sgeI. The exact roll of SGEI in these experiments was complicated by the observed simultaneous suppression of both α- und β-amylase activity in the sgeI antisense lines. The clear quantitative differences in the observed high-starch phenotypes of the sgeI and PCT-BMY1 lines, however, suggest that these phenotypic differences were not due to suppression of β-amylase activity alone. SGEI suppression resulted in no observed differences in sprouting, development of potato plants, or in the metabolism of storage starch in the potato tuber.
KW  - Screening
KW  - Stärkeabbau
KW  - Solanum tuberosum
KW  - transitorische Stärke
KW  - beta-Amylase
KW  - starch degradation
KW  - solanum tuberosum
KW  - transitory starch
KW  - beta-amylase
KW  - screening
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-11857
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TY  - THES
A1  - Scheich, Christoph
T1  - High-throughput evaluation of protein folding conditions and expression constructs for structural genomics
N2  - Das E. coli Expressionssystem ist das am häufigsten angewandte hinsichtlich der rekombinante Proteinexpression für strukturelle und funktionelle Analysen aufgrund der hohen erzielten Ausbeuten und der einfachen Handhabbarkeit. Allerdings ist insbesondere die Expression eukaryotischer Proteine in E. coli problematisch, z.B. wenn das Protein nicht korrekt gefaltet ist und in unlöslichen Inclusion Bodies anfällt. In manchen Fällen ist die Analyse von Deletionskonstrukten oder einzelnen Proteindomänen der Untersuchung des Vollängeproteins vorzuziehen. Dies umfasst die Herstellung eines Satzes von Expressionskonstrukten, welche charakterisiert werden müssen. In dieser Arbeit werden Methoden optimiert und evaluiert für die in vitro-Faltung von Inclusion Body-Proteinen sowie die Entwicklung einer Hochdurchsatz-Charakterisierung von Expressionskonstrukten. Die Überführung von Inclusion Body-Proteinen in den nativen Zustand beinhaltet zwei Schritte: (a) Auflösen mit einen chaotropen Reagenz oder starkem ionischen Detergenz und (b) Faltung des Proteins durch Beseitigung des Chaotrops begleitet von dem Transfer in einen geeigneten Puffer. Die Ausbeute an nativ gefaltetem Protein ist oft stark eingeschränkt aufgrund von Aggregation und Fehlfaltung; sie kann allerdings durch die Zugabe bestimmter Additive zum Faltungspuffer erhöht werden. Solche Additive müssen empirisch identifiziert werden. In dieser Arbeit wurde eine Testprozedur für Faltungsbedingungen entwickelt. Zur Reduzierung der möglichen Kombinationen der getesteten Additive wurden sowohl empirische Beobachtungen aus der Literatur als auch bekannte Eigenschaften der Additive berücksichtigt. Zur Verminderung der eingesetzten Proteinmenge und des Arbeitsaufwandes wurde der Test automatisiert und miniaturisiert mittels eines Pipettierroboters. 20 Bedingungen zum schnellen Verdünnen von denaturierten Proteinen werden hierbei getestet und zwei Bedingungen zur Faltung von Proteinen mit dem Detergenz/Cyclodextrin Protein-Faltungssystem von Rozema et al. (1996). 100 &#181;g Protein werden pro Bedingung eingesetzt. Zusätzlich werden acht Bedingungen für die Faltung von His-Tag-Fusionsproteinen (ca. 200 &#181;g), welche an eine Metallchelat-Matrix immobilisiert sind, getestet. Die Testprozedur wurde erfolgreich angewendet zur Faltung eines humanen Proteins, der p22 Untereinheit von Dynactin, welche in E. coli in Inclusion Bodies exprimiert wird. So wie es sich bei vielen Proteinen darstellt, war auch für p22 Dynactin kein biologischer Nachweistest vorhanden, um den Erfolg des Faltungsexperimentes zu messen. Die Löslichkeit des Proteins kann nicht als eindeutiges Kriterium dienen, da neben nativ gefaltetem Protein, lösliche fehlgefaltete Spezies und Mikroaggregate auftreten können. Diese Arbeit evaluiert Methoden zur Detektion kleiner Mengen nativen Proteins nach dem automatisierten Faltungstest. Bevor p22 Dynactin gefaltet wurde, wurden zwei Modellenzyme zur Evaluierung eingesetzt, bovine Carboanhydrase II (CAB) und Malat Dehydrogenase aus Schweineherz-Mitochondrien. Die wiedererlangte Aktivität nach der Rückfaltung wurde korreliert mit verschiedenen biophysikalischen Methoden. Bindungsstudien mit 8-Anilino-1-Naphtalenesulfonsäure ergaben keine brauchbaren Informationen bei der Rückfaltung von CAB aufgrund der zu geringen Sensitivität und da fehlgefaltete Proteine nicht eindeutig von nativem Protein unterschieden werden konnten. Tryptophan Fluoreszenzspektren der rückgefalteten CAB wurden zur Einschätzung des Erfolges der Rückfaltung angewandt. Die Verschiebung des Intensitätsmaximum zu einer niedrigeren Wellenlänge im Vergleich zum denaturiert entfalteten Protein sowie die Fluoreszenzintensität korrelierten mit der wiedererlangten enzymatischen Aktivität. Für beide Modellenzyme war analytische hydrophobe Interaktionschromatographie (HIC) brauchbar zur Identifizierung rückgefalteter Proben mit aktivem Enzym. Kompakt gefaltetes, aktives Enzym eluierte in einem distinkten Peak im abnehmenden Ammoniumsulfat-Gradienten. Das Detektionslimit für analytische HIC lag bei 5 &#181;g. Im Falle von CAB konnte gezeigt werden, dass Tryptophan-Fluoreszenz-Spektroskopie und analytische HIC in Kombination geeignet sind um Falsch-Positive oder Falsch-Negative, welche mit einem der Monitore erhalten wurden, auszuschließen. Diese beiden Methoden waren ebenfalls geeignet zur Identifizierung der Faltungsbedingungen von p22 Dynactin. Tryptophan-Fluoreszenz-Spektroskopie kann jedoch zu Falsch-Positiven führen, da in machen Fällen Spektren von löslichen Mikroaggregaten kaum unterscheidbar sind von Spektren des nativ gefalteten Proteins. Dies zusammenfassend wurde eine schnelle und zuverlässige Testprozedur entwickelt, um Inclusion Body-Proteine einer strukturellen und funktionellen Analyse zugänglich zu machen. In einem separaten Projekt wurden 88 verschiedene E. coli-Expressionskonstrukte für 17 humane Proteindomänen, welche durch Sequenzanalyse identifiziert wurden, mit einer Hochdurchsatzreinigung und &ndash;faltungsanalytik untersucht, um für die Strukturanalyse geeignete Kandidaten zu erhalten. Nach Expression in einem Milliliter im 96er Mikrotiterplattenformat und automatisierter Proteinreinigung wurden löslich exprimierte Proteindomänen direkt analysiert mittels 1D &#185;H-NMR Spektroskopie. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere isolierte Methylgruppen-Signale unter 0.5 ppm sensitive und zuverlässige Sonden sind für gefaltetes Protein. Zusätzlich zeigte sich, dass &ndash; ähnlich zur Evaluierung des Faltungstests &ndash; analytische HIC effizient eingesetzt werden kann zur Identifizierung von Konstrukten, welche kompakt gefaltetes Protein ergeben. Sechs Konstrukte, welche zwei Domänen repräsentieren, konnten schnell als tauglich für die Strukturanalyse gefunden werden. Die Struktur einer dieser Domänen wurde kürzlich von Mitarbeitern gelöst, die andere Struktur wurde im Laufe dieses Projektes von einer anderen Gruppe veröffentlicht.
N2  - For recombinant production of proteins for structural and functional analyses, the E. coli expression system is the most widely used due to high yields and straightforward processing. However, particularly the expression of eukaryotic proteins in E. coli is often problematic, e.g. when the protein is not folded correctly and is deposited in insoluble inclusion bodies. In some cases it is favourable to analyse deletion constructs of a protein or an individual protein domain instead of the full-length protein. This implies the generation of a set of expression constructs that need to be characterised. In this work methods to optimise and evaluate in vitro folding of inclusion body proteins as well as high-throughput characterisation of expression constructs were developed. Transferring inclusion body proteins to their native state involves two steps: (a) solubilisation with a chaotropic reagent or a strong ionic detergent and (b) folding of the protein by removal of the chaotrop accompanied by the transfer into an appropriate buffer. The yield of natively folded protein is often substantially reduced due to aggregation or misfolding; it may, however, be improved by certain additives to the folding buffer. These additives need to be identified empirically. In this thesis a screening procedure for folding conditions was developed. To reduce the number of possible combinations of screening additives, empirical observations documented in the literature as well as well known properties of certain screening additives were considered. To decrease the amount of protein and work invested, the screen was miniaturised and automated using a pipetting robot. Twenty rapid dilution conditions for the denatured protein are tested and two conditions for folding of proteins using the detergent/cyclodextrin protein folding system of Rozema et al. (1996). 100 &#181;g protein is used per condition. In addition, eight conditions can be tested for folding of His-tagged proteins (approx. 200 &#181;g) immobilised on metal chelate resins. The screen was successfully applied to fold a human protein, the p22 subunit of dynactin that is expressed in inclusion bodies in E. coli. For p22 dynactin &ndash; as is the case for many proteins &ndash; there was no biological assay available to assess the success of the folding screen. Protein solubility can not be used as a stringent criterion because beside natively folded protein, soluble misfolded species and microaggregates may occur. This work evaluates methods to detect small amounts of natively folded protein after automated folding screening. Before folding screening with p22 dynactin, two model enzymes, bovine carbonic anhydrase II (CAB) and pig heart mitochondrial malate dehydrogenase, were used for evaluation. Recovered activity after refolding was correlated to different biophysical methods. 8-anilino-1-naphtalenesulfonic acid binding-experiments gave no useful information when refolding CAB, due to low sensitivity and because misfolded protein could not be readily distinguished from native protein. Tryptophan fluorescence spectra of refolded CAB were used to assess the success of refolding. The shift of the intensity maximum to a shorter wavelength, compared to the denaturant unfolded protein, as well as the fluorescence intensity correlated to recovered enzymatic activity. For both model enzymes, analytical hydrophobic interaction chromatography (HIC) was useful to identify refolded samples that contain active enzyme. Compactly folded, active enzyme eluted in a distinct peak in a decreasing ammonium sulfate gradient. The detection limit of analytical HIC was approx. 5 &#181;g. In case of CAB, tryptophan fluorescence spectroscopy and analytical HIC showed that both methods in combination can be useful to rule out false positives or false negatives obtained with one method. These two methods were also useful to identify conditions for folding of p22 dynactin. However, tryptophan fluorescence spectroscopy can lead to false positives because in some cases spectra of soluble microaggregates are not well distinguishable from spectra of natively folded protein. In summary, a fast and reliable screening procedure was developed to make inclusion body proteins accessible to structural or functional analyses. In a separate project, 88 different E. coli expression constructs for 17 human protein domains that had been identified by sequence analysis were analysed using high-throughput purification and folding analysis in order to obtain candidates suitable for structural analysis. After 96 deep-well microplate expression and automated protein purification, solubly expressed protein domains were directly analysed using 1D &#185;H-NMR spectroscopy. It was found that isolated methyl group signals below 0.5 ppm are particularly sensitive and reliable probes for folded protein. In addition &ndash; similar to the evaluation of a folding screen &ndash; analytical HIC proved to be an efficient tool for identifying constructs that yield compactly folded protein. Both methods, 1D &#185;H-NMR spectroscopy and analytical HIC, provided complementary results. Six constructs, representing two domains, could be quickly identified as targets that are well suitable for structural analysis. The structure of one of these domains was solved recently by co-workers, the other structure was published by another group during this project.
T2  - High-throughput evaluation of protein folding conditions and expression constructs for structural genomics
KW  - Strukturproteomics
KW  - Proteinfaltungstest
KW  - Proteindomänen
KW  - structural genomics
KW  - protein folding screen
KW  - protein domains
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001552
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schauer, Nicolas
T1  - Quantitative trait loci (QTL) for metabolite accumulation and metabolic regulation : metabolite profiling of interspecific crosses of tomato
T1  - Metabolomische Analyse von interspezifischen Tomaten
N2  - The advent of large-scale and high-throughput technologies has recently caused a shift in focus in contemporary biology from decades of reductionism towards a more systemic view. Alongside the availability of genome sequences the exploration of organisms utilizing such approach should give rise to a more comprehensive understanding of complex systems. Domestication and intensive breeding of crop plants has led to a parallel narrowing of their genetic basis. The potential to improve crops by conventional breeding using elite cultivars is therefore rather limited and molecular technologies, such as marker assisted selection (MAS) are currently being exploited to re-introduce allelic variance from wild species. Molecular breeding strategies have mostly focused on the introduction of yield or resistance related traits to date. However given that medical research has highlighted the importance of crop compositional quality in the human diet this research field is rapidly becoming more important. Chemical composition of biological tissues can be efficiently assessed by metabolite profiling techniques, which allow the multivariate detection of metabolites of a given biological sample. Here, a GC/MS metabolite profiling approach has been applied to investigate natural variation of tomatoes with respect to the chemical composition of their fruits. The establishment of a mass spectral and retention index (MSRI) library was a prerequisite for this work in order to establish a framework for the identification of metabolites from a complex mixture. As mass spectral and retention index information is highly important for the metabolomics community this library was made publicly available. Metabolite profiling of tomato wild species revealed large differences in the chemical composition, especially of amino and organic acids, as well as on the sugar composition and secondary metabolites. Intriguingly, the analysis of a set of S. pennellii introgression lines (IL) identified 889 quantitative trait loci of compositional quality and 326 yield-associated traits. These traits are characterized by increases/decreases not only of single metabolites but also of entire metabolic pathways, thus highlighting the potential of this approach in uncovering novel aspects of metabolic regulation. Finally the biosynthetic pathway of the phenylalanine-derived fruit volatiles phenylethanol and phenylacetaldehyde was elucidated via a combination of metabolic profiling of natural variation, stable isotope tracer experiments and reverse genetic experimentation.
N2  - Die Einführung von Hochdurchsatzmethoden zur Analyse von biologischen Systemen, sowie die umfangreiche Sequenzierung von Genomen haben zu einer Verlagerung der Forschung „im Detail“ zu einer ganzheitlicheren Betrachtungsweise auf Systemebene geführt. Aus einer jahrhundertlangen, intensiven Züchtung und Selektion von Nutzpflanzen resultierte gleichzeitig eine Abnahme der genetischen Varianz. Daraus resultierend sind Nutzpflanzen anfälliger gegenüber Stressfaktoren, wie Pathogenen, hohen Salzkonzentrationen oder Trockenheit, als ihre Wildarten. Das Potential konventioneller Züchtung scheint somit heute an seine Grenzen gekommen zu sein. Daher versucht man mittels moderner Molekulartechnik, wie zum Beispiel Marker-gestützte Selektion, Gene oder ganze Genombereiche von Wildarten mit hoher genetischer Variation in Nutzpflanzen einzukreuzen, vornehmlich mit dem Ziel einer Ertrags- bzw. Resistenzsteigerung. Neueste medizinische Studien belegen, dass die Ernährung eine wesentliche Rolle für die menschliche Gesundheit spielt. Besonders wichtig sind hierbei die gesundheitsfördernden Substanzen in pflanzlichen Nahrungsmitteln. Aus diesem Grund kommt der Erforschung der biochemischen Zusammensetzung von biologischen Proben eine immer größere Bedeutung zu. Diese Untersuchung kann elegant durch Metabolitenprofile, welche die multivariate Analyse komplexer biologischer Proben erlauben, durchgeführt werden. In dieser Arbeit wurde zur Untersuchung der biochemischen Zusammensetzung von Tomatenwildarten und interspezifischen S. pennellii Tomatenintrogressionslinien (IL) eine GC/MS basierte Metabolitenanalyseplattform verwendet. Hierzu war es zunächst notwendig eine Massenspektrenbibliothek, zur Annotierung von Massenspektren und Retentionsindices von, in pflanzlichen Proben vorkommenden, Metaboliten anzulegen. Die Analyse der Tomatenwildarten ergab große Unterschiede gegenüber der Kulturtomate im Hinblick auf den Gehalt an Amino- und organischen Säuren, sowie der Zuckerzusammensetzung und den Gehalt an Sekundärmetaboliten. Die darauf folgende Analyse der ILs, von den jede ein genau definiertes genomisches Segment von S. pennellii beinhaltet, bestätigte diese enorme Variation mit 889 metabolischen und 326 ertragsassozierten-Veränderungen in den ILs. Die metabolischen Veränderungen zeichneten sich durch abnehmende bzw. steigende Gehalte von einzelnen Metaboliten, aber auch durch eine koordinierte Änderung aus. In dieser Arbeit wurde weiterhin der Biosyntheseweg der Volatilenstoffe Phenylethanol und Phenylacetaldehyd mit Hilfe einer IL untersucht. Hierbei konnten durch stabile Isotopenmarkierung und eines „reverse genetics“-Ansatzes Gene bzw. Enzyme identifiziert werden, die für die Dekarboxylierung des Eduktes Phenylalanin verantwortlich sind. Diese Arbeit beschreibt erstmals die umfassende Analyse von biochemischen Komponenten auf Genombasis in Tomatenintrogressionslinien und zeigt damit ein Werkzeug auf zur Identifizierung von qualitativen biochemischen Merkmalen in der modernen molekularen Züchtung.
KW  - Tomate
KW  - Metabolit
KW  - GC-MS
KW  - Introgression
KW  - Frucht
KW  - Metabolome
KW  - Züchtung
KW  - metabolic genomics
KW  - Tomato
KW  - metabolite profiling
KW  - metabolome
KW  - breeding
KW  - crops
KW  - fruit
KW  - metabolite breeding
KW  - metabolic genomics
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7643
ER  -