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  - You, Lili
T1  - Chloroplast engineering for recombinant protein production and stress protection
Y1  - 2024
ER  - 
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
ER  - 
TY  - THES
A1  - Székely, András Csaba
T1  - Long-distance circadian coordination via a phloem-delivered mobile transcript
Y1  - 2024
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hammel, Alexander
T1  - Establishing the red microalga Porphyridium purpureum as a novel platform for the production of recombinant proteins
T1  - Die Etablierung der roten Mikroalge Porphyridium purpureum als neue Platform für die Herstellung rekombinanter Proteine
N2  - Microalgae have been recognized as a promising green production platform for recombinant proteins. The majority of studies on recombinant protein expression have been conducted in the green microalga C. reinhardtii. While promising improvement regarding nuclear transgene expression in this alga has been made, it is still inefficient due to epigenetic silencing, often resulting in low yields that are not competitive with other expressor organisms. Other microalgal species might be better suited for high-level protein expression, but are limited in their availability of molecular tools. 
The red microalga Porphyridium purpureum recently emerged as candidate for the production of recombinant proteins. It is promising in that transformation vectors are episomally maintained as autonomously replicating plasmids in the nucleus at a high copy number, thus leading to high expression values in this red alga. 
In this work, we expand the genetic tools for P. purpureum and investigate parameters that govern efficient transgene expression. We provide an improved transformation protocol to streamline the generation of transgenic lines in this organism. After being able to efficiently generate transgenic lines, we showed that codon usage is a main determinant of high-level transgene expression, not only at the protein level but also at the level of mRNA accumulation. The optimized expression constructs resulted in YFP accumulation up to an unprecedented 5% of the total soluble protein. Furthermore, we designed new constructs conferring efficient transgene expression into the culture medium, simplifying purification and harvests of recombinant proteins. To further improve transgene expression, we tested endogenous promoters driving the most highly transcribed genes in P. purpureum and found minor increase of YFP accumulation. 
We employed the previous findings to express complex viral antigens from the hepatitis B virus and the hepatitis C virus in P. purpureum to demonstrate its feasibility as producer of biopharmaceuticals. The viral glycoproteins were successfully produced to high levels and could reach their native confirmation, indicating a functional glycosylation machinery and an appropriate folding environment in this red alga. We could successfully upscale the biomass production of transgenic lines and with that provide enough material for immunization trials in mice that were performed in collaboration. These trials showed no toxicity of neither the biomass nor the purified antigens, and, additionally, the algal-produced antigens were able to elicit a strong and specific immune response. 
The results presented in this work pave the way for P. purpureum as a new promising producer organism for biopharmaceuticals in the microalgal field.
N2  - Biotechnologisch hergestellte Proteine (rekombinante Proteine), wie zum Beispiel monoklonale Antikörper, Insulin oder diverse Impfstoffe, spielen heutzutage eine immer wichtigere Rolle bei der Bekämpfung von Krankheiten. Diese werden hauptsächlich aus genetisch veränderten humanen Zelllinien hergestellt. Die Produktion ist allerdings sehr teuer, anfällig für Kontaminationen und nicht nachhaltig.
Als Alternative dazu können Mikroalgen benutzt werden, die viel günstiger kultiviert werden können und viele Vorteile bezüglich des ökologischen Aspekts bieten. Die bisherige Forschung an Mikroalgen als Plattform für die Herstellung rekombinanter Proteine konzentriert sich vor allem auf die grüne Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii. Doch vor allem die geringe Proteinausbeute macht diese Alge nicht zum idealen Expressionsorganismus.
Kürzlich wurde die rote Mikroalge Porphyridium purpureum als vielversprechende Kandidatin für die Produktion rekombinanter Proteine identifiziert. Besonders interessant ist, dass diese Alge rekombinante Proteine in einem hohen Maß exprimiert.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Potenzial von Porphyridium purpureum als relativ unerforschte Alge. Es wurden neue genetische Werkzeuge entwickelt und verschiedene Faktoren untersucht, die die Expression von eingebrachten Genen beeinflussen. Durch Optimierung dieser Parameter konnten wir die Proteinausbeute eines gelb fluoreszierenden Proteins auf 5% des löslichen Gesamtproteins steigern.
Wir haben das gewonnene Wissen genutzt, um jeweils ein Oberflächenprotein vom Hepatitis B Virus und vom Hepatitis C Virus in dieser roten Mikroalge herzustellen. Diese können als möglicher zukünftiger Impfstoff benutzt werden. Wir konnten zeigen, dass beide Proteine korrekt und in hoher Menge in Porphyridium purpureum hergestellt werden.
Anschließend wurden die hergestellten Proteine auf ihre Wirksamkeit und Verträglichkeit an Mäusen getestet. Dabei wurde gezeigt, dass (i) Porphyridium purpureum nicht giftig ist und auch keine giftigen Produkte produziert und (ii) die produzierten Proteine eine effektive Immunantwort gegen die Viren induzieren.
Mit dieser Arbeit wurde das Fundament für die biotechnologische Anwendung dieser roten Mikroalge gelegt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass P. purpureum eine vielversprechende Mikroalgenart für die Produktion von biopharmazeutischen Proteinen ist.
KW  - microalgae
KW  - biotechnology
KW  - subunit vaccine
KW  - Biotechnologie
KW  - Mikroalgen
KW  - Untereinheitenimpfstoff
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-632709
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kiss, Andrea
T1  - Moss-associated bacterial and archaeal communities of northern peatlands: key taxa, environmental drivers and potential functions
T1  - Moos-assoziierte bakterielle und archaelle Gemeinschaften nördlicher Moore: Schlüsselspezies, beeinflussende Umweltfaktoren und potentielle Funktionen
N2  - Moss-microbe associations are often characterised by syntrophic interactions between the microorganisms and their hosts, but the structure of the microbial consortia and their role in peatland development remain unknown. 
In order to study microbial communities of dominant peatland mosses, Sphagnum and brown mosses, and the respective environmental drivers, four study sites representing different successional stages of natural northern peatlands were chosen on a large geographical scale: two brown moss-dominated, circumneutral peatlands from the Arctic and two Sphagnum-dominated, acidic peat bogs from subarctic and temperate zones. 
The family Acetobacteraceae represented the dominant bacterial taxon of Sphagnum mosses from various geographical origins and displayed an integral part of the moss core community. This core community was shared among all investigated bryophytes and consisted of few but highly abundant prokaryotes, of which many appear as endophytes of Sphagnum mosses. Moreover, brown mosses and Sphagnum mosses represent habitats for archaea which were not studied in association with peatland mosses so far. Euryarchaeota that are capable of methane production (methanogens) displayed the majority of the moss-associated archaeal communities. Moss-associated methanogenesis was detected for the first time, but it was mostly negligible under laboratory conditions. Contrarily, substantial moss-associated methane oxidation was measured on both, brown mosses and Sphagnum mosses, supporting that methanotrophic bacteria as part of the moss microbiome may contribute to the reduction of methane emissions from pristine and rewetted peatlands of the northern hemisphere.
Among the investigated abiotic and biotic environmental parameters, the peatland type and the host moss taxon were identified to have a major impact on the structure of moss-associated bacterial communities, contrarily to archaeal communities whose structures were similar among the investigated bryophytes. For the first time it was shown that different bog development stages harbour distinct bacterial communities, while at the same time a small core community is shared among all investigated bryophytes independent of geography and peatland type. 
The present thesis displays the first large-scale, systematic assessment of bacterial and archaeal communities associated both with brown mosses and Sphagnum mosses. It suggests that some host-specific moss taxa have the potential to play a key role in host moss establishment and peatland development.
N2  - Während die Beziehungen zwischen Moosen und den mit ihnen assoziierten Mikroorganismen oft durch syntrophische Wechselwirkungen charakterisiert sind, ist die Struktur der Moos-assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften sowie deren Rolle bei der Entstehung von Mooren weitgehend unbekannt. 
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mikrobiellen Gemeinschaften, die mit Moosen nördlicher, naturnaher Moore assoziiert sind, sowie mit den Umweltfaktoren, die sie beeinflussen. Entlang eines groß angelegten geographischen Gradienten, der von der Hocharktis bis zur gemäßigten Klimazone reicht, wurden vier naturbelassene Moore als Probenstandorte ausgesucht, die stellvertretend für verschiedene Stadien der Moorentwicklung stehen: zwei Braunmoos-dominierte Niedermoore mit nahezu neutralem pH-Wert sowie zwei Sphagnum-dominierte Torfmoore mit saurem pH-Wert. 
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit machen deutlich, dass die zu den Bakterien zählenden Acetobacteraceae das vorherrschende mikrobielle Taxon der Sphagnum-Moose gleich welchen geographischen Ursprungs darstellen und insbesondere innerhalb des Wirtsmoosgewebes dominieren. Gleichzeitig gehörten die Acetobacteraceae zum wesentlichen Bestandteil der mikrobiellen Kerngemeinschaft aller untersuchten Moose, die sich aus einigen wenigen Arten, dafür zahlreich vorkommenden Prokaryoten zusammensetzt.
Die vorliegende Arbeit zeigt zudem erstmals, dass sowohl Braunmoose als auch Torfmoose ein Habitat für Archaeen darstellen. Die Mehrheit der Moos-assoziierten Archaeen gehörte dabei zu den methanbildenden Gruppen, wenngleich die metabolischen Aktivitätsraten unter Laborbedingungen meistens kaum messbar waren. Im Gegensatz hierzu konnte die Bakterien-vermittelte Methanoxidation sowohl an Braunmoosen als auch an Sphagnum-Moosen gemessen werden. Dies zeigt eindrucksvoll, dass Moos-assoziierte Bakterien potenziell zur Minderung von Methanemissionen aus nördlichen, aber auch wiedervernässten Mooren beitragen können.
Ein weiteres wichtiges Resultat der vorliegenden Arbeit ist die Bedeutung des Moortyps (Niedermoor oder Torfmoor), aber auch der Wirtsmoosart selbst für die Struktur der Moos-assoziierten Bakteriengemeinschaften, während die archaeellen Gemeinschaftsstrukturen weder vom Moortyp noch von der Wirtsmoosart beeinflusst wurden und sich insgesamt deutlich ähnlicher waren als die der Bakterien. 
Darüber hinaus konnte erstmalig gezeigt werden, dass sich die bakteriellen Gemeinschaften innerhalb der unterschiedlichen Moorsukzessionsstadien zwar ganz erheblich voneinander unterscheiden, ein kleiner Teil der Bakterien dennoch Kerngemeinschaften bilden, die mit allen untersuchten Moosarten assoziiert waren.
Bei der hier präsentierten Arbeit handelt es sich um die erste systematische Studie, die sich auf einer großen geographischen Skala mit den bakteriellen und archaeellen Gemeinschaften von Braunmoosen und Torfmoosen aus naturbelassenen nördlichen Mooren befasst. Die vorliegenden Ergebnisse machen deutlich, dass die untersuchten Moose ein ganz spezifisches mikrobielles Konsortium beherbergen, welches mutmaßlich eine Schlüsselrolle bei der Etablierung der Wirtspflanzen am Anfang der Moorentwicklung spielt und darüber hinaus das Potential hat, die charakteristischen Eigenschaften von Mooren sowie deren weitere Entwicklung zu prägen.
KW  - moss-microbe-interactions
KW  - moss-associated bacteria
KW  - moss-associated archaea
KW  - northern peatlands
KW  - peatland core microbiome
KW  - Acetobacteraceae
KW  - moss-associated methanotrophy
KW  - moss-associated methanogenesis
KW  - Sphagnum
KW  - Amblystegiaceae
KW  - endophytes
KW  - brown mosses
KW  - epiphytes
KW  - peatland development
KW  - bryophytes
KW  - host-specificity
KW  - large-scale study
KW  - methanotrophic bacteria
KW  - methanogenic archaea
KW  - Essigsäurebakterien
KW  - Amblystegiaceae
KW  - Torfmoose
KW  - Braunmoose
KW  - Bryophyten
KW  - Endophyten
KW  - Epiphyten
KW  - Wirtsspezifität
KW  - geographische Großstudie
KW  - methanproduzierende Archaeen
KW  - methanoxidierende Bakterien
KW  - Moos-assoziierte Methanproduktion
KW  - Moos-assoziierte Methanoxidation
KW  - Moos-Mikroben-Interaktion
KW  - nördliche Moore
KW  - mikrobielle Moor-Kerngemeinschaft
KW  - Moorsukzession
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630641
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cheng, Feng
T1  - Evolution and ontogeny of electric organ discharge in African weakly electric fish genus Campylomormyrus: a genomic and transcriptomic perspective
N2  - The African weakly electric fishes (Mormyridae) exhibit a remarkable adaptive radiation possibly due to their species-specific electric organ discharges (EODs). It is produced by a muscle-derived electric organ that is located in the caudal peduncle. Divergence in EODs acts as a pre-zygotic isolation mechanism to drive species radiations. However, the mechanism behind the EOD diversification are only partially understood. 
The aim of this study is to explore the genetic basis of EOD diversification from the gene expression level across Campylomormyrus species/hybrids and ontogeny. I firstly produced a high quality genome of the species C. compressirostris as a valuable resource to understand the electric fish evolution. 
The next study compared the gene expression pattern between electric organs and skeletal muscles in Campylomormyrus species/hybrids with different types of EOD duration. I identified several candidate genes with an electric organ-specific expression, e.g. KCNA7a, KLF5, KCNJ2, SCN4aa, NDRG3, MEF2. The overall genes expression pattern exhibited a significant association with EOD duration in all analyzed species/hybrids. The expression of several candidate genes, e.g. KCNJ2, KLF5, KCNK6 and KCNQ5, possibly contribute to the regulation of EOD duration in Campylomormyrus due to their increasing or decreasing expression. Several potassium channel genes showed differential expression during ontogeny in species and hybrid with EOD alteration, e.g. KCNJ2. 
I next explored allele specific expression of intragenus hybrids by crossing the duration EOD species C. compressirostris with the medium duration EOD species C. tshokwe and the elongated duration EOD species C. rhynchophorus. The hybrids exhibited global expression dominance of the C. compressirostris allele in the adult skeletal muscle and electric organ, as well as in the juvenile electric organ. Only the gene KCNJ2 showed dominant expression of the allele from C. rhynchophorus, and this was increasingly dominant during ontogeny. It hence supported our hypothesis that KCNJ2 is a key gene of regulating EOD duration. Our results help us to understand, from a genetic perspective, how gene expression effect the EOD diversification in the African weakly electric fish.
N2  - Die Mormyridae, eine Familie afrikanischer schwach elektrischer Süßwasserfische, zeigen eine außergewöhnliche adaptive Radiation. Eine Erklärung für die Diversifizierung dieser Gruppe stellen die artspezifischen elektrischen Organentladungen (EODs) dar. Diese werden von einem elektrischen Organ muskulären Ursprungs im Ansatz der Schwanzflosse erzeugt. Die verschiedenen EODs könnten als präzygotischer Isolationsmechanismus für die Radiation verantwortlich sein. Dennoch ist der Mechanismus hinter der EOD-Diversifizierung bisher nicht vollständig geklärt. 
Ziel dieser Studie ist es, die genetische Grundlage der EOD-Diversifizierung auf der Ebene der Genexpression bei verschiedenen Campylomormyrus-Arten bzw. -Hybriden und während der Ontogenese zu ermitteln. Zunächst wurde erstmals das Genom der Art C. compressirostris in hoher Qualität sequenziert. Dies bildet eine bedeutende Grundlage für das Verständnis der Evolution der elektrischen Fische.
In der zweiten Studie wurden Genexpressionsmuster von elektrischen Organen und Skelettmuskeln bei Campylomormyrus-Arten bzw. -Hybriden mit unterschiedlicher EOD-Dauer verglichen. Dabei konnten mehrere Kandidatengene identifiziert werden, die potentiell Elektroorgan-spezifisch exprimiert sind, i.a. KCNA7a, KLF5, KCNJ2, SCN4aa, NDRG3, MEF2. Bei allen untersuchten Arten/Hybriden wies das Genexpressionsmuster einen signifikanten Zusammenhang mit der EOD-Dauer auf. Die Expression mehrerer Kandidatengene, wie beispielsweise KCNJ2, KLF5, KCNK6 und KCNQ5, trägt möglicherweise zur Regulierung der EOD-Dauer bei Campylomormyrus bei. Bei Arten und Hybriden mit EOD-Unterschieden zeigten Kaliumkanal-Gene wie KCNJ2 eine unterschiedliche Expression während der Ontogenese.
Zudem wurde die Allel-spezifische Expression bei Intragenus-Hybriden unter Verwendung der Arten C. compressirostris, C. tshokwe und C. rhynchophorus, die jeweils eine kurze, intermediäre bzw. lange EOD-Dauer aufweisen, untersucht. Die Hybriden wiesen eine generell dominante Expression der Allele von C. compressirostris in der adulten Skelettmuskulatur und im elektrischen Organ sowie im juvenilen elektrischen Organ auf. Einzig im Gen KCNJ2 dominierte das Allel von C. rhynchophorus, mit zunehmender Dominanz mit fortschreitender Ontogenese. Dies stützt unsere Hypothese einer Beteiligung des KCNJ2-Gens an der Regulation der EOD-Dauer. Unsere Ergebnisse stellen einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des Einflusses der Genexpression auf die EOD-Diversifizierung bei afrikanischen schwach elektrischen Fischen dar.
KW  - tropical freshwater fish
KW  - weakly electric fish
KW  - genomics
KW  - transcriptomics
KW  - Genomik
KW  - Transkriptomik
KW  - tropische Süßwasserfische
KW  - schwach elektrischer Fisch
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630172
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kersting, Katerina
T1  - Development of a CRISPR/Cas gene editing technique for the coccolithophore Chrysotila carterae
Y1  - 2024
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Ogunkola, Moses Olalekan
A1  - Guiraudie-Capraz, Gaelle
A1  - Féron, François
A1  - Leimkühler, Silke
T1  - The Human Mercaptopyruvate Sulfurtransferase TUM1 Is Involved in Moco Biosynthesis, Cytosolic tRNA Thiolation and Cellular Bioenergetics in Human Embryonic Kidney Cells
JF  - Biomolecules
N2  - Sulfur is an important element that is incorporated into many biomolecules in humans. The incorporation and transfer of sulfur into biomolecules is, however, facilitated by a series of different sulfurtransferases. Among these sulfurtransferases is the human mercaptopyruvate sulfurtransferase (MPST) also designated as tRNA thiouridine modification protein (TUM1). The role of the human TUM1 protein has been suggested in a wide range of physiological processes in the cell among which are but not limited to involvement in Molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis, cytosolic tRNA thiolation and generation of H2S as signaling molecule both in mitochondria and the cytosol. Previous interaction studies showed that TUM1 interacts with the L-cysteine desulfurase NFS1 and the Molybdenum cofactor biosynthesis protein 3 (MOCS3). Here, we show the roles of TUM1 in human cells using CRISPR/Cas9 genetically modified Human Embryonic Kidney cells. Here, we show that TUM1 is involved in the sulfur transfer for Molybdenum cofactor synthesis and tRNA thiomodification by spectrophotometric measurement of the activity of sulfite oxidase and liquid chromatography quantification of the level of sulfur-modified tRNA. Further, we show that TUM1 has a role in hydrogen sulfide production and cellular bioenergetics.
KW  - Moco biosynthesis
KW  - sulfite oxidase
KW  - cytosolic tRNA thiolation
KW  - 5-methoxycarbonylmethyl-2-thiouridine
KW  - H2S biosynthesis
KW  - cellular bioenergetics
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3390/biom13010144
SN  - 2218-273X
VL  - 13
SP  - 1
EP  - 23
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 1
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Marggraf, Lara Christin
A1  - Lindecke, Oliver
A1  - Voigt, Christian C.
A1  - Pētersons, Gunārs
A1  - Voigt-Heucke, Silke Luise
T1  - Nathusius’ bats, Pipistrellus nathusii, bypass mating opportunities of their own species, but respond to foraging heterospecifics on migratory transit flights
JF  - Frontiers in Ecology and Evolution
N2  - In late summer, migratory bats of the temperate zone face the challenge of accomplishing two energy-demanding tasks almost at the same time: migration and mating. Both require information and involve search efforts, such as localizing prey or finding potential mates. In non-migrating bat species, playback studies showed that listening to vocalizations of other bats, both con-and heterospecifics, may help a recipient bat to find foraging patches and mating sites. However, we are still unaware of the degree to which migrating bats depend on con-or heterospecific vocalizations for identifying potential feeding or mating opportunities during nightly transit flights. Here, we investigated the vocal responses of Nathusius’ pipistrelle bats, Pipistrellus nathusii, to simulated feeding and courtship aggregations at a coastal migration corridor. We presented migrating bats either feeding buzzes or courtship calls of their own or a heterospecific migratory species, the common noctule, Nyctalus noctula. We expected that during migratory transit flights, simulated feeding opportunities would be particularly attractive to bats, as well as simulated mating opportunities which may indicate suitable roosts for a stopover. However, we found that when compared to the natural silence of both pre-and post-playback phases, bats called indifferently during the playback of conspecific feeding sounds, whereas P. nathusii echolocation call activity increased during simulated feeding of N. noctula. In contrast, the call activity of P. nathusii decreased during the playback of conspecific courtship calls, while no response could be detected when heterospecific call types were broadcasted. Our results suggest that while on migratory transits, P. nathusii circumnavigate conspecific mating aggregations, possibly to save time or to reduce the risks associated with social interactions where aggression due to territoriality might be expected. This avoidance behavior could be a result of optimization strategies by P. nathusii when performing long-distance migratory flights, and it could also explain the lack of a response to simulated conspecific feeding. However, the observed increase of activity in response to simulated feeding of N. noctula, suggests that P. nathusii individuals may be eavesdropping on other aerial hawking insectivorous species during migration, especially if these occupy a slightly different foraging niche.
KW  - playback
KW  - phonotaxis
KW  - bats
KW  - acoustic communication
KW  - animal migration
KW  - eavesdropping
KW  - echolocation
KW  - Pipistrellus nathusii
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3389/fevo.2022.908560
SN  - 2296-701X
SP  - 1
EP  - 10
PB  - Frontiers
CY  - Lausanne, Schweiz
ER  - 
TY  - THES
A1  - Artins, Anthony
T1  - Crosstalk between Target Of Rapamycin (TOR) and sugar signaling in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Amen, Rahma
T1  - Adaptive radiation in African weakly electric fish genus Campylomormyrus
BT  - a behavior, ecological and morphological perspective
N2  - The African weakly electric fish genus Campylomormyrus includes 15 described species mostly native to the Congo River and its tributaries. They are considered sympatric species, because their distribution area overlaps. These species generate species-specific electric organ discharges (EODs) varying in waveform characteristics, including duration, polarity, and phase number. They exhibit also pronounced divergence in their snout, i.e. the length, thickness, and curvature. The diversifications in these two phenotypical traits (EOD and snout) have been proposed as key factors promoting adaptive radiation in Campylomormyrus. The role of EODs as a pre-zygotic isolation mechanism driving sympatric speciation by promoting assortative mating has been examined using behavioral, genetical, and histological approaches. However, the evolutionary effects of the snout morphology and its link to species divergence have not been closely examined. Hence, the main objective of this study is to investigate the effect of snout morphology diversification and its correlated EOD to better understand their sympatric speciation and evolutionary drivers. Moreover, I aim to utilize the intragenus and intergenus hybrids of Campylomormyrus to better understand trait divergence as well as underlying molecular/genetic mechanisms involved in the radiation scenario. To this end, I utilized three different approaches: feeding behavior analysis, diet assessment, and geometric morphometrics analysis. I performed feeding behavior experiments to evaluate the concept of the phenotype-environment correlation by testing whether Campylomormyrus species show substrate preferences. The behavioral experiments showed that the short snout species exhibits preference to sandy substrate, the long snout species prefers a stone substrate, and the species with intermediate snout size does not exhibit any substrate preference. The experiments suggest that the diverse feeding apparatus in the genus Campylomormyrus may have evolved in adaptation to their microhabitats. I also performed diet assessments of sympatric Campylomormyrus species and a sister genus species (Gnathonemus petersii) with markedly different snout morphologies and EOD using NGS-based DNA metabarcoding of their stomach contents. The diet of each species was documented showing that aquatic insects such as dipterans, coleopterans and trichopterans represent the major diet component. The results showed also that all species are able to exploit diverse food niches in their habitats. However, comparing the diet overlap indices showed that different snout morphologies and the associated divergence in the EOD translated into different prey spectra. These results further support the idea that the EOD could be a ‘magic trait’ triggering both adaptation and reproductive isolation. Geometric morphometrics method was also used to compare the phenotypical shape traits of the F1 intragenus (Campylomormyrus) and intergenus (Campylomormyrus species and Gnathonemus petersii) hybrids relative to their parents. The hybrids of these species were well separated based on the morphological traits, however the hybrid phenotypic traits were closer to the short-snouted species. In addition, the likelihood that the short snout expressed in the hybrids increases with increasing the genetic distance of the parental species. The results confirmed that additive effects produce intermediate phenotypes in F1-hybrids. It seems, therefore, that morphological shape traits in hybrids, unlike the physiological traits, were not expressed straightforward.
KW  - adaptive radiation
KW  - ecological speciation
KW  - African weakly electric fish
KW  - trophic apparatus
KW  - DNA metabarcoding
KW  - geometric morphometric
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Martinez-Seidel, Federico
T1  - Ribosome Heterogeneity and Specialization during Temperature Acclimation in Plants
N2  - Ribosomes decode mRNA to synthesize proteins. Ribosomes, once considered static, executing machines, are now viewed as dynamic modulators of translation. Increasingly detailed analyses of structural ribosome heterogeneity led to a paradigm shift toward ribosome specialization for selective translation. As sessile organisms, plants cannot escape harmful environments and evolved strategies to withstand. Plant cytosolic ribosomes are in some respects more diverse than those of other metazoans. This diversity may contribute to plant stress acclimation. The goal of this thesis was to determine whether plants use ribosome heterogeneity to regulate protein synthesis through specialized translation. I focused on temperature acclimation, specifically on shifts to low temperatures. During cold acclimation, Arabidopsis ceases growth for seven days while establishing the responses required to resume growth. Earlier results indicate that ribosome biogenesis is essential for cold acclimation. REIL mutants (reil-dkos) lacking a 60S maturation factor do not acclimate successfully and do not resume growth. Using these genotypes, I ascribed cold-induced defects of ribosome biogenesis to the assembly of the polypeptide exit tunnel (PET) by performing spatial statistics of rProtein changes mapped onto the plant 80S structure. I discovered that growth cessation and PET remodeling also occurs in barley, suggesting a general cold response in plants. Cold triggered PET remodeling is consistent with the function of Rei-1, a REIL homolog of yeast, which performs PET quality control. Using seminal data of ribosome specialization, I show that yeast remodels the tRNA entry site of ribosomes upon change of carbon sources and demonstrate that spatially constrained remodeling of ribosomes in metazoans may modulate protein synthesis. I argue that regional remodeling may be a form of ribosome specialization and show that heterogeneous cytosolic polysomes accumulate after cold acclimation, leading to shifts in the translational output that differs between wild-type and reil-dkos. I found that heterogeneous complexes consist of newly synthesized and reused proteins. I propose that tailored ribosome complexes enable free 60S subunits to select specific 48S initiation complexes for translation. Cold acclimated ribosomes through ribosome remodeling synthesize a novel proteome consistent with known mechanisms of cold acclimation. The main hypothesis arising from my thesis is that heterogeneous/ specialized ribosomes alter translation preferences, adjust the proteome and thereby activate plant programs for successful cold acclimation.
N2  - Ribosomen dekodieren mRNA, um Proteine zu synthetisieren. Ribosomen, früher als statische, ausführende Maschinen betrachtet, werden heute als dynamische Modulatoren der Translation angesehen. Zunehmend detailliertere Analysen der Strukturheterogenität von Ribosomen führte zu einem Paradigmenwechsel hin zu einer Spezialisierung von Ribosomen für eine selektive Translation. Als sessile Organismen können Pflanzen schädlichen Umwelteinflüssen nicht ausweichen und haben Strategien entwickelt, um diesen zu widerstehen. Zytosolische Ribosomen von Pflanzen sind in mancher Hinsicht vielfältiger, als die von anderen Metazoen. Diese Vielfalt könnte zur Stressakklimatisierung der Pflanzen beitragen. Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, ob Pflanzen die Heterogenität der Ribosomen nutzen, um die Proteinsynthese durch spezialisierte Translation zu regulieren. Ich habe mich auf die Temperaturakklimatisierung konzentriert, insbesondere auf den Wechsel zu niedrigen Temperaturen. Im Verlauf der Kälteakklimatisierung stellt Arabidopsis das Wachstum für sieben Tage ein. Währenddessen etabliert sie die für die Wiederaufnahme des Wachstums erforderlichen Anpassungen. Vorherige Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ribosomenbiogenese für die Kälteakklimatisierung essentiell ist. REIL-Mutanten (reil-dkos), denen ein 60S-Reifungsfaktor fehlt, akklimatisieren sich nicht erfolgreich und nehmen das Wachstum nicht wieder auf. Anhand dieser Genotypen habe ich kältebedingte Defekte der Ribosomenbiogenese auf den Aufbau des Polypeptidaustritts-Tunnels (PET) zurückgeführt, indem ich räumliche statistische Analysen von rProtein-Veränderungen auf die pflanzliche 80S-Struktur abgebildet habe. Ich habe entdeckt, dass Wachstumsstillstand und PET-Umbau auch in Gerste auftreten, was auf eine allgemeine Kältereaktion in Pflanzen hindeutet. Der durch Kälte ausgelöste PET-Umbau stimmt über ein mit der Funktion von Rei-1, einem REIL-homologen Protein aus Hefe, in der Rei-1 die PET-Qualitätskontrolle durchführt. Anhand bahnbrechender Daten zur Ribosomenspezialisierung zeige ich, dass Hefe die tRNA-Eintrittsstelle von Ribosomen bei einem Wechsel von Kohlenstoffquellen umbaut, und demonstriere, dass ein räumlich begrenzter Umbau von Ribosomen in Metazoen die Proteinsynthese modulieren kann. Ich argumentiere, dass die regionale Umgestaltung eine Form der Ribosomenspezialisierung sein kann, und zeige, dass nach einer Kälteakklimatisierung heterogene zytosolische Polysomen akkumulieren, was zu Verschiebungen im Translationsoutput führt, der sich zwischen Wildtyp und reil-dkos unterscheidet. Ich habe festgestellt, dass die heterogenen Komplexe aus neu synthetisierten und wiederverwendeten Proteinen bestehen. Ich schlage vor, dass maßgeschneiderte Ribosomenkomplexe freie 60S-Untereinheiten in die Lage versetzen, spezifische 48S-Initiationskomplexe für die Translation auszuwählen. Kälte-akklimatisierte Ribosomen synthetisieren durch Ribosomenumbau ein neues Proteom, das mit bekannten Mechanismen der Kälteakklimatisierung übereinstimmt. Die Haupthypothese, die sich aus meiner Arbeit ergibt, ist, dass heterogene/spezialisierte Ribosomen ihre Translationspräferenzen verändern, das Proteom anpassen und dadurch Pflanzenprogramme für eine erfolgreiche Kälteakklimatisierung aktivieren.
T2  - Ribosomenheterogenität und -spezialisierung während der Temperaturakklimatisierung in Pflanzen
KW  - Ribosome specialization
KW  - Ribosomal protein heterogeneity
KW  - Ribosomal protein substoichiometry
KW  - Protein synthesis
KW  - Translational regulation
KW  - Plant cytosolic translation
KW  - Cold acclimation
KW  - Ribosome biogenesis
KW  - 60S maturation
KW  - Hordeum vulgare
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - 60S-Reifung
KW  - Kälteakklimatisierung
KW  - Cytosolische Translation in Pflanzen
KW  - Proteinsynthese
KW  - Ribosomale Proteinheterogenität
KW  - Ribosomale Protein Substöchiometrie
KW  - Ribosomen-Biogenese
KW  - Ribosomen-Spezialisierung
KW  - Translationsregulation
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-580724
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gonzalez Duran, Enrique
T1  - Genetic control of intracellular gene transfer by DNA repair in N. tabacum
N2  - Mitochondria and plastids are organelles with an endosymbiotic origin. During evolution, many genes are lost from the organellar genomes and get integrated in the nuclear genome, in what is known as intracellular/endosymbiotic gene transfer (IGT/EGT). IGT has been reproduced experimentally in Nicotiana tabacum at a gene transfer rate (GTR) of 1 event in 5 million cells, but, despite its centrality to eukaryotic evolution, there are no genetic factors known to influence the frequency of IGT in higher eukaryotes. The focus of this work was to determine the role of different DNA repair pathways of double strand break repair (DSBR) in the integration step of organellar DNA in the nuclear genome during IGT. Here, a CRISPR/Cas9 mutagenesis strategy was implemented in N. tabacum, with the aim of generating mutants in nuclear genes without expected visible phenotypes. This strategy led to the generation of a collection of independent mutants in the LIG4 (necessary for non-homologous end joining, NHEJ) and POLQ genes (necessary for microhomology mediated end joining, MMEJ). Targeting of other DSBR genes (KU70, KU80, RPA1C) generated mutants with unexpectedly strong developmental phenotypes.. These factors have telomeric roles, hinting towards a possible relationship between telomere length, and strength of developmental disruption upon loss of telomere structure in plants. The mutants were made in a genetic background encoding a plastid-encoded IGT reporter, that confers kanamycin resistance upon transfer to the nucleus. Through large scale independent experiments, increased IGT from the chloroplast to the nucleus was observed in lig4 mutants, as well as lines encoding a POLQ gene with a defective polymerase domain (polqΔPol). This shows that NHEJ or MMEJ have a double-sided relationship with IGT: while transferred genes may integrate using either pathway, the presence of both pathways suppresses IGT in wild-type somatic cells, thus demonstrating for the first time the extent on which nuclear genes control IGT frequency in plants. The IGT frequency increases in the mutants are likely mediated by increased availability of double strand breaks for integration. Additionally, kinetic analysis reveals that gene transfer (GT) events accumulate linearly as a function of time spent under antibiotic selection in the experiment, demonstrating that, contrary to what was previously thought, there is no such thing as a single GTR in somatic IGT experiments. Furthermore, IGT in tissue culture experiments appears to be the result of a "race against the clock" for integration in the nuclear genome, that starts when the organellar DNA arrives to the nucleus granting transient antibiotic resistance. GT events and escapes of kanamycin selection may be two possible outcomes from this race: those instances where the organellar DNA gets to integrate are recovered as GT events, and in those cases where timely integration fails, antibiotic resistance cannot be sustained, and end up considered as escapes. In the mutants, increased opportunities for integration in the nuclear genome change the overall ratio between IGT and escape events. The resources generated here are promising starting points for future research: (1) the mutant collection, for the further study of processes that depend on DNA repair in plants (2) the collection of GT lines obtained from these experiments, for the study of the effect of DSBR pathways over integration patterns and stability of transferred genes and (3) the developed CRISPR/Cas9 workflow for mutant generation, to make N. tabacum meet its potential as an attractive model for answering complex biological questions.
N2  - Mitochondrien und Plastiden sind beides Organellen endosymbiotischen Ursprungs. Im Laufe der Evolution gehen viele Gene aus den Organellengenomen verloren und werden in das Kerngenom integriert, was als intrazellulärer/endosymbiotischer Gentransfer (IGT/EGT) bezeichnet wird. IGT konnte experimentell in Nicotiana tabacum mit einer Gentransferrate (GTR) von einem Ereignis in fünf Millionen Zellen nachgestellt werden, aber trotz seiner zentralen Bedeutung für die eukaryotische Evolution sind keine genetischen Faktoren bekannt, die die Häufigkeit von IGT in höheren Eukaryoten beeinflussen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der Rolle verschiedener DNA-Reparaturwege der Doppelstrangbruchreparatur (DSBR) bei der Integration von Organellen-DNA in das Kerngenom während des IGT. Dazu wurde in N. tabacum eine CRISPR/Cas9-basierte Mutagenesestrategie angewandt, mit dem Ziel, Mutanten in Kerngenen zu erzeugen, für die keine sichtbaren Phänotypen zu erwarten sind. Diese Strategie führte zur Erzeugung einer Reihe unabhängiger Mutanten im LIG4-Gen (notwendig für „non-homologous end joining“, die nicht-homologe Verbindung von Enden, NHEJ) und POLQ (notwendig für „microhomology mediated end joining“, die Mikrohomologie-vermittelte Verbindung von Enden, MMEJ). Die gezielte Beeinflussung anderer DSBR-Gene (KU70, KU80, RPA1C) führte zu Mutanten mit unerwartet starken Entwicklungsphänotypen. Diese Gene spielen eine Rolle beim Erhalt der Telomere, was auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Telomerlänge und der Stärke der Entwicklungsstörung bei Verlust der Telomerstruktur in Pflanzen hindeutet. Die Mutanten wurden in einem genetischen Hintergrund erzeugt, der über einen in den Plastiden lokalisierten IGT-Reporter verfügt, der nach Übertragung in den Zellkern Kanamycin-Resistenz vermittelt. In groß angelegten unabhängigen Experimenten wurde in lig4-Mutanten sowie in Linien, die für ein POLQ-Gen mit einer defekten Polymerase-Domäne (polqΔPol) kodieren, eine erhöhte GTR vom Chloroplasten zum Zellkern beobachtet. Dies zeigt, dass NHEJ oder MMEJ eine zweischneidige Beziehung zum IGT haben: Während übertragene Gene folglich über jeden der beiden Mechanismen integriert werden können, unterdrückt das gleichzeitige Vorhandensein beider Wege IGT in somatischen Wildtyp-Zellen, wodurch zum ersten Mal gezeigt wird, in welchem Ausmaß Kerngene die IGT-Häufigkeit in Pflanzen kontrollieren. Die erhöhte Verfügbarkeit von Doppelstrangbrüchen für die Integration könnte für die erhöhte IGT-Häufigkeit in den Mutanten verantwortlich sein. Darüber hinaus zeigt die Analyse des Zeitverlaufs, dass Gentransferereignisse (GT) in Abhängigkeit von der Zeit, die im Experiment unter Antibiotikaselektion verbracht wurde, linear akkumulieren, was beweist, dass es, anders als bisher angenommen, in somatischen IGT-Experimenten keine statische GTR gibt. Darüber hinaus scheint IGT in Gewebekulturexperimenten das Ergebnis eines Wettlaufs mit der Zeit um die Integration in das Kerngenom zu sein, der beginnt, wenn die Organellen-DNA in den Zellkern gelangt und eine vorübergehende Antibiotikaresistenz gewährt. Echte GT-Ereignisse und „Escapes“ (scheinbare Resistenz, ein vorläufiges Ausweichen vor der Kanamycin-Selektion) können zwei mögliche Ergebnisse dieses Wettlaufs sein: Die Fälle, in denen die Organellen-DNA integriert wird, werden als GT-Ereignisse gewertet, und in den Fällen, in denen die rechtzeitige Integration scheitert, kann die Antibiotikaresistenz nicht aufrechterhalten werden und sie werden als „Escape“ betrachtet. In den Mutanten verändern sich die Möglichkeiten zur Integration in das Kerngenom, wodurch sich das Gesamtverhältnis zwischen IGT- und „Escape“-Ereignissen ändert. Die hier erzeugten Ressourcen sind vielversprechende Ausgangspunkte für künftige Forschungen: (1) die Mutantensammlung, für die Untersuchung von weiteren Prozessen, die von der DNA-Reparatur in Pflanzen abhängen, (2) die Sammlung von GT-Linien, die aus den hier beschriebenen Experimenten gewonnen wurden, für die Untersuchung der Auswirkungen von DSBR-Mechanismen auf Integrationsmuster und Stabilität übertragener Gene und (3) der hier entwickelte Arbeitsablauf für die Mutantenerzeugung mittels CRISPR/Cas9, damit N. tabacum sein Potenzial als attraktives Modell für die Beantwortung komplexer biologischer Fragestellungen erfüllen kann.
T2  - Genetische Kontrolle des intrazellulären Gentransfers durch DNA-Reparatur in N. tabacum
KW  - endosymbiosis
KW  - organelles
KW  - gene
KW  - transfer
KW  - DNA
KW  - repair
KW  - genome
KW  - editing
KW  - evolution
KW  - plant
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bühler, Miriam
T1  - The role of (xeno)hormone-activated GPER1 for centrosome amplification and whole chromosomal instability in colon cell lines
N2  - The G protein-coupled estrogen receptor (GPER1) is acknowledged as an important mediator of estrogen signaling. Given the ubiquitous expression of GPER1, it is likely that the receptor plays a role in a variety of malignancies, not only in the classic hormonally regulated tissues (e.g., breast, ovary, and prostate), but also in the colon. As colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer in both men and women worldwide and environmental factors and dietary habits are important risk factors, it is increasingly recognized that natural and synthetic hormones and their associated receptors might play a role in CRC. Through oral consumption, environmental contaminants with endocrine activity are in contact with the gastrointestinal mucosa, where they might exert their toxic effects. Although GPER1 has been shown to be engaged in physiological and pathophysiological processes, its role in CRC remains poorly understood. Thus, pro- as well as anti-tumorigenic effects are described in the literature. This thesis has uncovered novel roles of GPER1 in mediating major CRC-associated phenotypes in transformed and non-transformed colon cell lines. Exposure to the estrogens 17β-estradiol (E2), bisphenol-A (BPA) and diethylstilbestrol (DES) but also the androgen dihydrotestosterone (DHT) resulted in GPER1-dependent induction of supernumerary centrosomes, whole chromosomal instability (w-CIN) and aneuploidy. Indeed, both knockdown and inhibition of GPER1 attenuated the generation of (xeno)hormone-driven supernumerary centrosomes and karyotype instability. Mechanistically, (xeno)hormone-induced centrosome amplification was associated with transient multipolar mitosis and the generation of so called anaphase “lagging” chromosomes. The results of this thesis propose a GPER1/PKA/AKAP9-pathway in regulating centrosome numbers in colorectal cancer cells and the involvement of the centriolar protein centrin. Remarkably, exposure to (xeno)hormones resulted in atypical enlargement and unexpected phosphorylation of the centriole marker centrin in interphase. These findings provide a novel role for GPER1 in key CRC-prone lesions and shed light on underlying mechanisms that involve GPER1 function in the colon. Elucidating to what extent centrosomal proteins are involved in the GPER1-mediated aneugenic effect will be an important task for future studies. The present study was intended to lay a first foundation to understand the molecular basis and potential risk factors of CRC which might help to reduce the use of laboratory animals. Since numerous animal experiments are conducted in biomedical research, the development of alternative methods is indispensable. The Federal Institute for Risk Assessment (BfR) as the German Center for the Protection of Laboratory Animals (Bf3R) addresses this issue by uncovering underlying mechanisms leading to colorectal cancer as necessary prerequisite in order to develop alternative methods.
N2  - Der G-Protein-gekoppelte Östrogenrezeptor (GPER1) ist als wichtiger Vermittler von Östrogensignalen bekannt. Angesichts der ubiquitären Expression von GPER1 ist es wahrscheinlich, dass der Rezeptor bei einer Vielzahl von Krebserkrankungen eine Rolle spielt, nicht nur in den klassischen hormonell regulierten Geweben (z. B. Brust, Eierstöcke und Prostata), sondern auch im Darm. Da Darmkrebs (Colorectal cancer, CRC) weltweit die dritthäufigste Krebserkrankung sowohl bei Männern als auch bei Frauen ist und Umweltfaktoren und Ernährungsgewohnheiten wichtige Risikofaktoren darstellen, geht man zunehmend davon aus, dass natürliche und synthetische Hormone und ihre zugehörigen Rezeptoren eine Rolle im Darmkrebs spielen könnten. Durch orale Aufnahme kommen Umweltschadstoffe mit endokriner Aktivität mit der Magen-Darm-Schleimhaut in Kontakt, wo sie ihre toxischen Wirkungen entfalten könnten. Obwohl gezeigt wurde, dass GPER1 an physiologischen und pathophysiologischen Prozessen beteiligt ist, ist seine Rolle im Darmkrebs nach wie vor unzureichend geklärt. So werden in der Literatur sowohl Tumor-fördernde als auch -hemmende Wirkungen beschrieben werden. In dieser Arbeit wurden neue Rollen von GPER1 bei der Vermittlung wichtiger Darmkrebs-assoziierter Phänotypen in transformierten und nicht-transformierten Kolonzelllinien aufgedeckt. Die Exposition gegenüber den Östrogenen 17β-Östradiol (E2), Bisphenol-A (BPA) und Diethylstilbestrol (DES), aber auch dem Androgen Dihydrotestosteron (DHT) führte zu einer GPER1-abhängigen Induktion von überzähligen Zentrosomen, chromosomaler Instabilität (w-CIN) und Aneuploidie. Sowohl der Knockdown, als auch die Inhibierung von GPER1 verringerten die Entstehung von (xeno)hormon-bedingten überzähligen Zentrosomen und Karyotyp Instabilität. Mechanistisch gesehen war die (Xeno-)Hormon-induzierte Zentrosomen Amplifikation mit einer vorübergehenden multipolaren Mitose und der Bildung von sogenannten Anaphasen „lagging“ Chromosomen verbunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten auf einen GPER1/PKA/AKAP9-Weg zur Regulierung der Zentrosomenzahl in Darmkrebszellen und eine Beteiligung des zentriolären Proteins Zentrin hin. Bemerkenswerterweise führte die Exposition gegenüber (Xeno-)Hormonen zu einer atypischen Vergrößerung und unerwarteten Phosphorylierung des Zentriolen Markers Centrin in der Interphase. Diese Ergebnisse enthüllen eine neue Rolle für GPER1 in wichtigen, mit Darmkrebs assoziierten Läsionen und geben Aufschluss auf die zugrundeliegenden Mechanismen der GPER1-Funktion im Darm. Die Aufklärung zu welchem Ausmaßes zentrosomale Proteine an der GPER1-vermittelten aneugenischen Wirkung beteiligt sind, wird eine wichtige Aufgabe für zukünftige Studien sein. Mit der vorliegenden Studie sollte eine erste Grundlage für das Verständnis der molekularen Grundlagen und potenziellen Risikofaktoren von Darmkrebs geschaffen werden, was dazu beitragen könnte, den Einsatz von Versuchstieren zu reduzieren. Da in der biomedizinischen Forschung zahlreiche Tierversuche durchgeführt werden, ist die Entwicklung von Alternativmethoden unerlässlich. Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) als Deutsches Zentrum zum Schutz von Versuchstieren (Bf3R) widmet sich diesem Thema, indem es die zugrundeliegenden Mechanismen, die zu Darmkrebs führen, als notwendige Voraussetzung für die Entwicklung alternativer Methoden aufdeckt.
KW  - centrosome amplification
KW  - colon cancer
KW  - G protein-coupled estrogen receptor
KW  - whole chromosomal instability
KW  - (xeno)hormones
KW  - Zentrosomen Amplifikation
KW  - Darmkrebs
KW  - G protein-gekoppelter Östrogen Rezeptor
KW  - chromosomale Instabilität
KW  - (Xeno)Hormone
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - von Bismarck, Thekla
T1  - The influence of long-term light acclimation on photosynthesis in dynamic light
N2  - Photosynthesis converts light into metabolic energy which fuels plant growth. In nature, many factors influence light availability for photosynthesis on different time scales, from shading by leaves within seconds up to seasonal changes over months. Variability of light energy supply for photosynthesis can limit a plant´s biomass accumulation. Plants have evolved multiple strategies to cope with strongly fluctuation light (FL). These range from long-term optimization of leaf morphology and physiology and levels of pigments and proteins in a process called light acclimation, to rapid changes in protein activity within seconds. Therefore, uncovering how plants deal with FL on different time scales may provide key ideas for improving crop yield. Photosynthesis is not an isolated process but tightly integrates with metabolism through mutual regulatory interactions. We thus require mechanistic understanding of how long-term light acclimation shapes both, dynamic photosynthesis and its interactions with downstream metabolism. To approach this, we analyzed the influence of growth light on i) the function of known rapid photosynthesis regulators KEA3 and VCCN1 in dynamic photosynthesis (Chapter 2-3) and ii) the interconnection of photosynthesis with photorespiration (PR; Chapter 4).
We approached topic (i) by quantifying the effect of different growth light regimes on photosynthesis and photoprotection by using kea3 and vccn1 mutants. Firstly, we found that, besides photosynthetic capacity, the activities of VCCN1 and KEA3 during a sudden high light phase also correlated with growth light intensity. This finding suggests regulation of both proteins by the capacity of downstream metabolism. Secondly, we showed that KEA3 accelerated photoprotective non-photochemical quenching (NPQ) kinetics in two ways: Directly via downregulating the lumen proton concentration and thereby de-activating pH-dependent NPQ, and indirectly via suppressing accumulation of the photoprotective pigment zeaxanthin. 
For topic (ii), we analyzed the role of PR, a process which recycles a toxic byproduct of the carbon fixation reactions, in metabolic flexibility in a dynamically changing light environment. For this we employed the mutants hpr1 and ggt1 with a partial block in PR. We characterized the function of PR during light acclimation by tracking molecular and physiological changes of the two mutants. Our data, in contrast to previous reports, disprove a generally stronger physiological relevance of PR under dynamic light conditions. Additionally, the two different mutants showed pronounced and distinct metabolic changes during acclimation to a condition inducing higher photosynthetic activity. This underlines that PR cannot be regarded purely as a cyclic detoxification pathway for 2PG. Instead, PR is highly interconnected with plant metabolism, with GGT1 and HPR1 representing distinct metabolic modulators. 
In summary, the presented work provides further insight into how energetic and metabolic flexibility is ensured by short-term regulators and PR during long-term light acclimation.
N2  - Photosynthese wandelt Lichtenergie in metabolische Energie um, welche das Pflanzenwachstum antreibt. In der Natur wird die Verfügbarkeit von Licht von vielerlei Faktoren auf unterschiedlichen Zeitskalen beeinflusst, z. B. von der Beschattung durch Blätter innerhalb von Sekunden bis hin zu jahreszeitlichen Veränderungen über Monate. Fluktuationen in der Lichtenergieverfügbarkeit in der Natur kann die Biomasseakkumulation der Pflanzen limitieren. Pflanzen haben verschiedene Strategien entwickelt, um stark fluktuierendes Licht nutzen zu können. Diese reichen von der langfristigen Optimierung der Blattmorphologie und Physiologie und des Gehalts an Pigmenten und Proteinen in dem Prozess der Lichtakklimatisierung bis hin zu schnellen Veränderungen der Proteinaktivität innerhalb von Sekunden. Daher kann die Aufdeckung der Art und Weise, wie Pflanzen mit FL auf verschiedenen Zeitskalen umgehen, wichtige Ideen zur Verbesserung der Ernteerträge liefern. Die Photosynthese ist kein isolierter Prozess, sondern steht in enger Interaktion mit den nachgeschalteten Stoffwechselwegen. Daher benötigen wir mechanistisches Verständnis, wie Lichtakklimatisierung die dynamische Photosynthese als auch deren Interaktion mit Downstream-Metabolismus moduliert. Dafür haben wir den Einfluss von Lichtakklimatisierung auf i) die Funktion der schnellen Photosyntheseregulatoren KEA3 und VCCN1 in der dynamischen Photosynthese und ii) die flexible Interaktion von Photorespiration mit Photosynthese analysiert.
Im ersten Themenkomplex (i) wurden die Auswirkungen verschiedener Wachstumslicht-bedingungen auf Photosynthese und Photoprotektion anhand von kea3- und vccn1-Mutanten quantifiziert. Zum einen konnten wir zeigen, dass neben der photosynthetischen Kapazität auch die Aktivitäten von VCCN1 und KEA3 während eines Hochlichtpulses mit der Wachstumslichtintensität korrelierten. Dies deutet auf eine Regulierung beider Proteine durch die Kapazität des Downstream-Metabolismus hin. Zum anderen beschleunigte KEA3 die Kinetik des photoprotektiven nicht-photochemischen Quenchings (NPQ) auf zweifache Weise: Direkt über die Herabregulierung der lumenalen Protonenkonzentration, was den pH-abhängigen NPQ deaktivierte, und indirekt über die Unterdrückung der Akkumulation des photoprotektiven Pigments Zeaxanthin. 
Für das zweite Thema (ii) untersuchten wir die Rolle des photorespiratorischen Metabolismus (PR), welcher ein toxisches Nebenprodukt der Kohlenstofffixierungsreaktionen recycelt, in der metabolischen Flexibilität in einer sich dynamisch verändernden Lichtumgebung. Dazu verwendeten wir die Mutanten hpr1 und ggt1 mit teilweise blockiertem PR Flux. Unsere Daten widerlegen, im Gegensatz zu früheren Berichten, eine allgemein größere physiologische Bedeutung von PR unter dynamischen Lichtbedingungen. Die beiden Mutanten zeigten ausgeprägte und distinkte metabolische Veränderungen während der Akklimatisierung an eine Bedingung mit höherer photosynthetischer Aktivität. Dies zeigt, dass PR nicht ausschließlich als zyklischer Entgiftungsweg für 2PG angesehen werden kann. Vielmehr ist PR tief in den pflanzlichen Stoffwechsel eingebettet, wobei GGT1 und HPR1 als distinkte Stellschrauben des Downstream-Metabolismus agieren. 
Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit weitere Erkenntnisse darüber, wie die energetische und metabolische Flexibilität durch kurzfristige Regulatoren und den photorespiratorischen Metabolismus während der langfristigen Lichtakklimatisierung gewährleistet wird.
KW  - photosynthesis
KW  - fluctuating light
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Photosynthese
KW  - fluktuierendes Licht
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rolo, David
T1  - Assembly of photosystem I in thylakoid membranes
T1  - Die Assemblierung des Photosystems I in der Thylakoidmembran
N2  - The light reactions of photosynthesis are carried out by a series of multiprotein complexes embedded in thylakoid membranes. Among them, photosystem I (PSI), acting as plastocyanin-ferderoxin oxidoreductase, catalyzes the final reaction. Together with light-harvesting antenna I, PSI forms a high-molecular-weight supercomplex of ~600 kDa, consisting of eighteen subunits and nearly two hundred co-factors. Assembly of the various components into a functional thylakoid membrane complex requires precise coordination, which is provided by the assembly machinery. Although this includes a small number of proteins (PSI assembly factors) that have been shown to play a role in the formation of PSI, the process as a whole, as well as the intricacy of its members, remains largely unexplored.
In the present work, two approaches were used to find candidate PSI assembly factors. First, EnsembleNet was used to select proteins thought to be functionally related to known PSI assembly factors in Arabidopsis thaliana (approach I), and second, co-immunoprecipitation (Co-IP) of tagged PSI assembly factors in Nicotiana tabacum was performed (approach II).
Here, the novel PSI assembly factors designated CO-EXPRESSED WITH PSI ASSEMBLY 1 (CEPA1) and Ycf4-INTERACTING PROTEIN 1 (Y4IP1) were identified. A. thaliana null mutants for CEPA1 and Y4IP1 showed a growth phenotype and pale leaves compared with the wild type. Biophysical experiments using pulse amplitude modulation (PAM) revealed insufficient electron transport on the PSII acceptor side. Biochemical analyses revealed that both CEPA1 and Y4IP1 are specifically involved in PSI accumulation in A. thaliana at the post-translational level but are not essential. Consistent with their roles as factors in the assembly of a thylakoid membrane protein complex, the two proteins localize to thylakoid membranes. Remarkably, cepa1 y4ip1 double mutants exhibited lethal phenotypes in early developmental stages under photoautotrophic growth. Finally, co-IP and native gel experiments supported a possible role for CEPA1 and Y4IP1 in mediating PSI assembly in conjunction with other PSI assembly factors (e.g., PPD1- and PSA3-CEPA1 and Ycf4-Y4IP1). The fact that CEPA1 and Y4IP1 are found exclusively in green algae and higher plants suggests eukaryote-specific functions. Although the specific mechanisms need further investigation, CEPA1 and Y4IP1 are two novel assembly factors that contribute to PSI formation.
N2  - Die Lichtreaktionen der Photosynthese werden von einer Reihe von Multiproteinkomplexen durchgeführt, die in Thylakoidmembranen eingebettet sind. Hier katalysiert das Photosystem I (PSI), das als Plastocyanin-Ferderoxin-Oxidoreduktase fungiert, die letzte Reaktion. Zusammen mit der lichtsammelnden Antenne I bildet PSI einen hochmolekularen Superkomplex von etwa 600 kDa, der aus achtzehn Untereinheiten und fast zweihundert Co-Faktoren besteht. Der Zusammenbau der verschiedenen Komponenten zu einem funktionsfähigen Thylakoidmembrankomplex erfordert eine präzise Koordination, die durch den Assemblierungsapparat gewährleistet wird. Obwohl dieser eine kleine Anzahl von Proteinen (PSI-Assemblierungsfaktoren) umfasst, die nachweislich eine Rolle bei der Bildung des PSI spielen, ist der Prozess als Ganzes sowie die Komplexität seiner Mitglieder noch weitgehend unerforscht.
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Ansätze verwendet, um Kandidaten für PSI-Assemblierungsfaktoren zu finden. Erstens wurde EnsembleNet verwendet, um Proteine auszuwählen, von denen angenommen wird, dass sie funktionell mit bekannten PSI-Assemblierungsfaktoren in Arabidopsis thaliana verwandt sind (Ansatz I), und zweitens wurde eine Co-Immunopräzipitation (Co-IP) von markierten PSI-Assemblierungsfaktoren in Nicotiana tabacum durchgeführt (Ansatz II).
Dabei wurden die neuartigen PSI-Assemblierungsfaktoren mit der Bezeichnung CO-EXPRESSED WITH PSI ASSEMBLY 1 (CEPA1) und Ycf4-INTERACTING PROTEIN 1 (Y4IP1) identifiziert. A. thaliana Nullmutanten für CEPA1 und Y4IP1 zeigten einen Wachstumsphänotyp und blasse Blätter im Vergleich zum Wildtyp. Biophysikalische Experimente unter Verwendung der Pulsamplitudenmodulation (PAM) zeigten einen unzureichenden Elektronentransport auf der PSII-Akzeptorseite. Biochemische Analysen ergaben, dass sowohl CEPA1 als auch Y4IP1 spezifisch an der PSI-Akkumulation in A. thaliana auf posttranslationaler Ebene beteiligt, jedoch nicht essentiell sind. Entsprechend ihrer Rolle als Faktoren für den Aufbau eines Thylakoidmembran-Proteinkomplexes sind die beiden Proteine an Thylakoidmembranen lokalisiert. Bemerkenswerterweise wiesen cepa1 y4ip1-Doppelmutanten in frühen Entwicklungsstadien unter photoautotrophem Wachstum tödliche Phänotypen auf. Schließlich untermauerten Co-IP- und native Gelexperimente eine mögliche Rolle von CEPA1 und Y4IP1 bei der Vermittlung des PSI-Aufbaus in Verbindung mit anderen PSI-Aufbaufaktoren (z. B. PPD1- und PSA3-CEPA1, und Ycf4-Y4IP1). Die Tatsache, dass CEPA1 und Y4IP1 ausschließlich in Grünalgen und höheren Pflanzen vorkommen, lässt auf eukaryontenspezifische Funktionen schließen. Obwohl die spezifischen Mechanismen noch weiter untersucht werden müssen, sind CEPA1 und Y4IP1 zwei neuartige Assemblierungsfaktoren, die zur PSI-Bildung beitragen.
KW  - photosynthesis
KW  - photosystem I
KW  - biogenesis
KW  - thylakoid membranes
KW  - assembly factor
KW  - Photosynthese
KW  - Photosystem I
KW  - Biogenese
KW  - Thylakoidmembran
KW  - Assemblierungsfaktor
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Derežanin, Lorena
T1  - Contribution of structural variation to adaptive evolution of mammalian genomes
T1  - Beteiligung der strukturellen Variation zur adaptiven Evolution von Säugetiergenomen
N2  - Following the extinction of dinosaurs, the great adaptive radiation of mammals occurred, giving rise to an astonishing ecological and phenotypic diversity of mammalian species. Even closely related species often inhabit vastly different habitats, where they encounter diverse environmental challenges and are exposed to different evolutionary pressures. As a response, mammals evolved various adaptive phenotypes over time, such as morphological, physiological and behavioural ones. Mammalian genomes vary in their content and structure and this variation represents the molecular mechanism for the long-term evolution of phenotypic variation. However, understanding this molecular basis of adaptive phenotypic variation is usually not straightforward.

The recent development of sequencing technologies and bioinformatics tools has enabled a better insight into mammalian genomes. Through these advances, it was acknowledged that mammalian genomes differ more, both within and between species, as a consequence of structural variation compared to single-nucleotide differences. Structural variant types investigated in this thesis - such as deletion, duplication, inversion and insertion, represent a change in the structure of the genome, impacting the size, copy number, orientation and content of DNA sequences. Unlike short variants, structural variants can span multiple genes. They can alter gene dosage, and cause notable gene expression differences and subsequently phenotypic differences. Thus, they can lead to a more dramatic effect on the fitness (reproductive success) of individuals, local adaptation of populations and speciation.

In this thesis, I investigated and evaluated the potential functional effect of structural variations on the genomes of mustelid species. To detect the genomic regions associated with phenotypic variation I assembled the first reference genome of the tayra (Eira barbara) relying on linked-read sequencing technology to achieve a high level of genome completeness important for reliable structural variant discovery. I then set up a bioinformatics pipeline to conduct a comparative genomic analysis and explore variation between mustelid species living in different environments. I found numerous genes associated with species-specific phenotypes related to diet, body condition and reproduction among others, to be impacted by structural variants.

Furthermore, I investigated the effects of artificial selection on structural variants in mice selected for high fertility, increased body mass and high endurance. Through selective breeding of each mouse line, the desired phenotypes have spread within these populations, while maintaining structural variants specific to each line. In comparison to the control line, the litter size has doubled in the fertility lines, individuals in the high body mass lines have become considerably larger, and mice selected for treadmill performance covered substantially more distance. Structural variants were found in higher numbers in these trait-selected lines than in the control line when compared to the mouse reference genome. Moreover, we have found twice as many structural variants spanning protein-coding genes (specific to each line) in trait-selected lines. Several of these variants affect genes associated with selected phenotypic traits. These results imply that structural variation does indeed contribute to the evolution of the selected phenotypes and is heritable.

Finally, I suggest a set of critical metrics of genomic data that should be considered for a stringent structural variation analysis as comparative genomic studies strongly rely on the contiguity and completeness of genome assemblies. Because most of the available data used to represent reference genomes of mammalian species is generated using short-read sequencing technologies, we may have incomplete knowledge of genomic features. Therefore, a cautious structural variation analysis is required to minimize the effect of technical constraints.
The impact of structural variants on the adaptive evolution of mammalian genomes is slowly gaining more focus but it is still incorporated in only a small number of population studies. In my thesis, I advocate the inclusion of structural variants in studies of genomic diversity for a more comprehensive insight into genomic variation within and between species, and its effect on adaptive evolution.
N2  - Nach dem Aussterben der Dinosaurier kam es zu einer großen adaptiven Radiation der Säugetiere, die eine erstaunliche ökologische und phänotypische Vielfalt von Säugetierarten hervorbrachte. Selbst eng verwandte Arten bewohnen oft sehr unterschiedliche Lebensräume, in denen sie verschiedenen Umwelteinflüssen und evolutionärem Druck ausgesetzt sind. Als Reaktion darauf haben Säugetiere im Laufe der Zeit verschiedene adaptive Phänotypen entwickelt, z. B. morphologische, physiologische und verhaltensbezogene. Die Genome von Säugetieren variieren in ihrem Inhalt und ihrer Struktur, und diese Variation stellt den molekularen Mechanismus für die langfristige Evolution der phänotypischen Variation dar. Das Verständnis dieser molekularen Grundlage der adaptiven phänotypischen Variation ist jedoch meist nicht trivial.
Die jüngste Entwicklung von Sequenzierungstechnologien und Bioinformatik-Tools hat einen besseren Einblick in die Genome von Säugetieren ermöglicht. Durch diese Fortschritte wurde erkannt, dass sich die Genome von Säugetieren sowohl innerhalb als auch zwischen den Arten stärker durch strukturelle Variationen als durch Unterschiede zwischen einzelnen Nukleotiden unterscheiden. Variantenarten, die in dieser Arbeit untersucht werden - wie Deletion, Duplikation, Inversion und Insertion - stellen eine Veränderung der Genomstruktur dar, die sich auf die Größe, die Kopienzahl, die richtung und den Inhalt der DNA-Sequenzen auswirken. Im Gegensatz zu kurzen Varianten können strukturelle Varianten mehrere Gene umfassen. Sie können die Genkopien verändern und bemerkenswerte Unterschiede in der Genexpression und in der Folge phänotypische Unterschiede hervorrufen. Dadurch können sie dramatischere Auswirkungen auf die Fitness (den Fortpflanzungserfolg) von Individuen, die lokale Anpassung von Populationen und die Artbildung haben.
In dieser Arbeit untersuchte und bewertete ich die potenziellen funktionellen Auswirkungen von strukturellen Variationen auf die Genome von Mustelidenarten. Weil für die zuverlässige Entdeckung struktureller Varianten ein hohes Maß an Genomvollständigkeit wichtig ist, habe ich das erste Referenzgenom der Tayra (Eira barbara) mit Hilfe der Linked-Read-Sequenzierungstechnologie zusammengestellt, um die mit der phänotypischen Variation verbundenen Genomregionen zu ermitteln. Anschließend habe ich eine Bioinformatik-Pipeline aufgesetzt, um eine vergleichende Genomanalyse durchzuführen und die Variationen zwischen den in unterschiedlichen Umgebungen lebenden Mustelidenarten zu untersuchen. Ich fand heraus, dass zahlreiche Gene, die mit artspezifischen Phänotypen in Verbindung stehen, durch strukturelle Variationen beeinflusst werden. Diese Phänotypen stehen u.a. in Zusammenhang mit Ernährung, Körperzustand und Fortpflanzung.
Darüber hinaus untersuchte ich die Auswirkungen der künstlichen Selektion auf strukturelle Variationen bei Mäusen, die auf hohe Fruchtbarkeit, erhöhte Körpermasse und hohe Ausdauer selektiert wurden. Durch selektive Züchtung jeder Mauslinie haben sich die gewünschten Phänotypen innerhalb dieser Populationen durchgesetzt, wobei die für jede Linie spezifischen strukturellen Variationen erhalten blieben. Im Vergleich zur Kontrolllinie hat sich die Wurfgröße in den Linien selektiert auf Fruchtbarkeit verdoppelt, die Individuen in den Linien mit hoher Körpermasse sind erheblich größer geworden, und die auf Laufbandleistung selektierten Mäuse haben wesentlich mehr Strecke zurückgelegt. Im Vergleich zum Referenzgenom der Maus wurden in diesen nach Merkmalen selektierten Linien mehr strukturelle Variationen gefunden als in der Kontrolllinie. Darüber hinaus fanden wir doppelt so viele strukturelle Variationen, die proteinkodierende Gene überspannen (spezifisch für jede Linie), in nach Merkmalen selektierten Linien. Mehrere dieser Varianten betreffen Gene, die mit ausgewählten phänotypischen Merkmalen in Verbindung stehen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass strukturelle Variationen tatsächlich zur Evolution der ausgewählten Phänotypen beiträgt und vererbbar ist.
Abschließend schlage ich eine Sammlung von maßgeblichen Metriken für Genomdaten vor, die für eine strenge Analyse der strukturellen Variation berücksichtigt werden sollten, da vergleichende Genomstudien in hohem Maße von der Kontiguität und Vollständigkeit der Genomassemblies abhängen. Weil die meisten der verfügbaren Daten, die verwendet wurden, um Referenzgenome von Säugetierarten zu repräsentieren mit Short-Read-Sequenzierungstechnologien erzeugt wurden, verfügen wir möglicherweise nur über unvollständige Kenntnisse der genomischen Merkmale. Daher ist eine vorsichtige Analyse der strukturellen Variationen erforderlich, um die Auswirkungen technischer Beschränkungen zu minimieren.
Der Einfluss struktureller Variationen auf die adaptive Evolution von Säugetiergenomen rückt langsam immer mehr in den Mittelpunkt, wird aber immer noch nur in wenigen Populationsstudien berücksichtigt. In meiner Dissertation befürworte ich die Einbeziehung struktureller Variationen in Studien zur genomischen Diversität, um einen umfassenderen Einblick in die genomische Variation innerhalb und zwischen den Arten und ihre Auswirkungen auf die adaptive Evolution zu erhalten.
KW  - doctoral thesis
KW  - evolutionary biology
KW  - adaptation
KW  - genomics
KW  - Adaptation
KW  - Dissertation
KW  - Evolutionsbiologie
KW  - Genomik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591443
ER  - 
TY  - THES
A1  - Leer, Marina
T1  - Computational analysis of the effects of ageing and diet on stem cell function and ectopic fat accumulation in the musculoskeletal system
N2  - The musculoskeletal system provides support and enables movement to the body, and its deterioration is a crucial aspect of age-related functional decline. Mesenchymal stromal cells (MSCs) play an important role in musculoskeletal homeostasis due to their broad differentiation potentials and their ability to support osteogenic and myogenic tissue maintenance and regeneration. In the bone, MSCs differentiate either into osteochondrogenic progenitors to form osteocytes and chondrocytes, or increasingly with age into adipogenic progenitors which give rise to bone-resident adipocytes. In skeletal muscle, during healthy regeneration MSCs provide regulatory signals that activate local, tissue-specific stem cells, known as satellite cells, which regenerate contractile myofibres. This process involves a significant cross-talk to immune cells stemming from both lymphoid and myeloid lineages. During ageing, muscle-resident MSCs undergo increased adipogenic lineage commitment, causing niche changes that contribute to fatty infiltration in muscles. These shifts in cell populations in bone lead to the loss of osteogenic cells and subsequently osteoporosis, or in muscle to impaired regeneration and to the development of sarcopenia. However, the signals that drive transition of MSCs into their respective cellular fates remain elusive. 
This thesis aims to elucidate the transcriptional shifts modulating cell states and cell types in musculoskeletal MSC fate determination. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) was used to characterise cell type-specific transcript regulation. State-of-the-art bioinformatics tools were combined with different analytical platforms that include both droplet-based scRNA-seq for large heterogeneous populations, and microfluidics-based scRNA-seq to assess small, rare subpopulations. For each platform, distinct computational pipelines were established including filtering steps to exclude low-quality cells, and data visualisation was performed by dimensionality reduction. Downstream analysis included clustering, cell type annotation, and differential gene expression to investigate transcriptional states in defined cell types during ageing and injury in the muscle and bone. Finally, a novel tool to assess publication activities in defined areas of research for the identified marker genes was developed.
The results in the bone indicate that ageing MSCs increasingly commit towards an adipogenic fate at the expense of osteogenic specialisation. The data also suggests that significant cell population shifts of MSC-type fibro-adipogenic progenitors during muscle ageing underlie the pathologies observed in homeostatic and post-injury regenerative conditions. High-throughput visualisation of publication activity for candidate genes enabled more effective biological evaluation of scRNA-seq data. These results expose critical age-related changes in the stem cell niches of skeletal muscle and bone, highlight their respective sensitivity to nutrition and pathology, and elucidate novel factors that modulate stem cell-based regeneration. Targeting these processes might improve musculoskeletal health in the context of ageing and prevent the negative effects of pathological lineage determination.
N2  - Der Stütz- und Bewegungsapparat durchläuft eine altersbedingte gesundheitliche Verschlechterung, welche mit voranschreitendem Funktionsverlust einhergeht. Mesenchymale Stromazellen (MSCs) spielen aufgrund ihres breiten Differenzierungspotenzials und ihrer Fähigkeit, myogene bzw. osteogene Regenerationsprozesse zu unterstützen, eine wichtige Rolle in der muskuloskelettalen Homöostase. Im Knochen differenzieren MSCs entweder zu osteochondrogenen Vorläufern, um Knochen- bzw. Knorpelzellen zu bilden. Oder mit zunehmendem Alter werden vermehrt adipogene Vorläufer gebildet, aus denen Knochen-Fettzellen entstehen. Im Skelettmuskel sezernieren MSCs während der Muskelregeneration beispielsweise regulatorische Signale, die lokale, gewebespezifische Stammzellen, sogenannte Satellitenzellen, aktivieren, und diese daraufhin die kontraktilen Muskelfasern regenerieren. Dieser Prozess umfasst bedeutsame Wechselwirkung von Stammzellen mit Immunzellen sowohl der lymphoiden als auch aus myeloischen Abstammungslinien. Während des Alterns erhalten muskelresidente MSCs jedoch ein erhöhtes adipogenenes Potential, welches Nischenveränderung verursacht und damit zu einer Fettinfiltration in den Muskeln beitragen kann. Die Verschiebungen der Zellpopulationen verursachen einerseits den Verlust von osteogenen Vorläufern und fördern degenerative Prozesse im Knochengewebe, die Osteoporose zur Folge haben, oder beeinträchtigen die Regeneration im Muskel sowie dessen Funktionalität, und können damit zur altersbedingten Sarkopenie beitragen. MSCs durchlaufen einen Entscheidungsprozess um final zu differenzieren, der jedoch bislang nur unzureichend charakterisiert ist. 
Um diesen Aspekt zu beleuchten, untersucht diese Dissertation die diesem Prozess zugrundeliegende Veränderung der Transkriptionsprofile, welche die Zellzustände und Zelltypen bei der Differenzierung von muskuloskelettalen MSCs steuern. Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-Seq) wurde verwendet, um die zelltyp-spezifische Transkriptionsregulation zu charakterisieren. Moderne bioinformatische Analyse-Tools und -Plattformen wurden kombiniert, die sowohl droplet-basierte (für große heterogene Populationen) als auch mikrofluidik-basierte scRNA-seq (für kleine, seltene Subpopulationen), umfassten. Es wurden plattform-spezifische Datenverarbeitungs-Pipelines generiert, einschließlich des Herausfilterns von Zellen geringer Qualität und Datenvisualisierung mit verschiedenen Dimensionsreduktions-Methoden. Die anschließende Analyse umfasste Clustering von Subpopulationen, Zelltyp-Annotation und differenzielle Genexpression, um die Transkriptionszustände in den definierten Zelltypen während des Alterns und bei Regeneration im Muskel und Knochen zu untersuchen. Abschließend wurde eine Software zur Bewertung der Publikationsaktivitäten in definierten Forschungsgebieten für die identifizierten Markergene entwickelt. 
Die Ergebnisse deuten im Knochen darauf hin, dass alternde MSCs auf Kosten der osteogenen Spezialisierung zunehmend adipogener werden. Weiterhin deuten unsere Daten darauf hin, dass im alternden Muskel eine signifikante Zellpopulationsanreicherung von MSCs zu fibro-adipogenen Vorläuferzellen stattfindet, welche den Pathologien in den Prozessen der Homöostase und Muskelregeneration nach Verletzung unterliegen. Die Visualisierung der Publikationsaktivität für Kandidatengene ermöglicht eine effektivere biologische Bewertung von scRNA-seq-Daten. Diese Ergebnisse offenbaren kritische altersbedingte Veränderungen innerhalb der Stammzellnischen von Skelettmuskeln und Knochen, und identifizieren neue Faktoren, die an stammzell-basierten Regeneration beteiligt sind. Diese Prozesse gezielt zu beeinflussen, könnte die muskuloskelettale Gesundheit im Alter verbessern und negative Effekte einer pathologischen Differenzierung verhindern.
KW  - single-cell RNA-sequencing
KW  - single-cell analysis
KW  - transcriptomics
KW  - mesenchymal stromal cells
KW  - musculoskeletal system
KW  - stem cell differentiation
KW  - mesenchymale stromale Zellen
KW  - Muskel-Skelett-System / Bewegungsapparat
KW  - Einzelzell-Sequenzierung
KW  - Einzelzell-Analyse
KW  - Stammzelldifferenzierung
KW  - Transkriptomik
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Ilicic, Doris
A1  - Woodhouse, Jason
A1  - Karsten, Ulf
A1  - Zimmermann, Jonas
A1  - Wichard, Thomas
A1  - Quartino, Maria Liliana
A1  - Campana, Gabriela Laura
A1  - Livenets, Alexandra
A1  - Van den Wyngaert, Silke
A1  - Grossart, Hans-Peter
T1  - Antarctic Glacial Meltwater Impacts the Diversity of Fungal Parasites Associated With Benthic Diatoms in Shallow Coastal Zones
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Aquatic ecosystems are frequently overlooked as fungal habitats, although there is increasing evidence that their diversity and ecological importance are greater than previously considered. Aquatic fungi are critical and abundant components of nutrient cycling and food web dynamics, e.g., exerting top-down control on phytoplankton communities and forming symbioses with many marine microorganisms. However, their relevance for microphytobenthic communities is almost unexplored. In the light of global warming, polar regions face extreme changes in abiotic factors with a severe impact on biodiversity and ecosystem functioning. Therefore, this study aimed to describe, for the first time, fungal diversity in Antarctic benthic habitats along the salinity gradient and to determine the co-occurrence of fungal parasites with their algal hosts, which were dominated by benthic diatoms. Our results reveal that Ascomycota and Chytridiomycota are the most abundant fungal taxa in these habitats. We show that also in Antarctic waters, salinity has a major impact on shaping not just fungal but rather the whole eukaryotic community composition, with a diversity of aquatic fungi increasing as salinity decreases. Moreover, we determined correlations between putative fungal parasites and potential benthic diatom hosts, highlighting the need for further systematic analysis of fungal diversity along with studies on taxonomy and ecological roles of Chytridiomycota.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1290 
KW  - Antarctica
KW  - aquatic fungi
KW  - Chytridiomycota
KW  - phytoplankton host
KW  - salinity gradient
KW  - Illumina amplicon sequencing
KW  - Carlini Station
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572895
SN  - 1866-8372
IS  - 1290
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koikkarah Aji, Amit
T1  - Quantitative sub cellular characterization of Hantavirus structural proteins
T1  - Quantitativ Subzellulär Charakterisierung Von Hantavirus-Strukturproteine.
N2  - Hantaviruses (HVs) are a group of zoonotic viruses that infect human beings primarily through aerosol transmission of rodent excreta and urine samplings. HVs are classified geographically into: Old World HVs (OWHVs) that are found in Europe and Asia, and New World HVs (NWHVs) that are observed in the Americas. These different strains can cause severe hantavirus diseases with pronounced renal syndrome or severe cardiopulmonary system distress. HVs can be extremely lethal, with NWHV infections reaching up to 40 % mortality rate. HVs are known to generate epidemic outbreaks in many parts of the world including Germany, which has seen periodic HV infections over the past decade. HV has a trisegmented genome. The small segment (S) encodes the nucleocapsid protein (NP), the middle segment (M) encodes the glycoproteins (GPs) Gn and Gc which forms up to tetramers and primarily monomers \& dimers upon independent expression respectively and large segment (L) encodes RNA dependent RNA polymerase (RdRp). Interactions between these viral proteins are crucial in providing mechanistic insights into HV virion development. Despite best efforts, there continues to be lack of quantification of these associations in living cells. This is required in developing the mechanistic models for HV viral assembly. This dissertation focuses on three key questions pertaining to the initial steps of virion formation that primarily involves the GPs and NP.

The research investigations in this work were completed using Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) approaches. FCS is frequently used in assessing the biophysical features of bio-molecules including protein concentration and diffusion dynamics and circumvents the requirement of protein overexpression. FCS was primarily applied in this thesis to evaluate protein multimerization, at single cell resolution.

The first question addressed which GP spike formation model proposed by Hepojoki et al.(2010) appropriately describes the evidence in living cells.  A novel in cellulo assay was developed to evaluate the amount of fluorescently labelled and unlabeled GPs upon co-expression. The results clearly showed that Gn and Gc initially formed a heterodimeric Gn:Gc subunit. This sub-unit then multimerizes with congruent Gn:Gc subunits to generate the final GP spike. Based on these interactions, models describing the formation of GP complex (with multiple GP spike subunits) were additionally developed.

HV GP assembly primarily takes place in the Golgi apparatus (GA) of infected cells. Interestingly, NWHV GPs are hypothesized to assemble at the plasma membrane (PM). This led to the second research question in this thesis, in which a systematic comparison between OWHV and NWHV GPs was conducted to validate this hypothesis. Surprisingly, GP localization at the PM was congruently observed with OWHV and NWHV GPs. Similar results were also discerned with OWHV and NWHV GP localization in the absence of cytoskeletal factors that regulate HV trafficking in cells.  

The final question focused on quantifying the NP-GP interactions and understanding their influence of NP and GP multimerization. Gc mutlimers  were detected in the presence of NP and complimented by the presence of localized regions of high NP-Gc interactions in the perinuclear region of living cells. Gc-CT domain was shown to influence NP-Gc associations. Gn, on the other hand, formed up to tetrameric complexes, independent from the presence of NP.

The results in this dissertation sheds light on the initial steps of HV virion formation by quantifying homo and heterotypic interactions involving NP and GPs, which otherwise are very difficult to perform. Finally, the in cellulo methodologies implemented in this work can be potentially extended to understand other key interactions involved in HV virus assembly.
N2  - Hantaviren (HVs) gehören zu einer Gruppe von Zoonosenviren, die den Menschen hauptsächlich über Aerosolübertragung von Nagetierausscheidungen und Urinproben infizieren. HVs werden geografisch unterteilt in: Alte Welt-HVs (OWHVs), die in Europa und Asien vorkommen, und Neue Welt-HVs (NWHVs), die auf dem amerikanischen Kontinent beobachtet werden. Diese verschiedenen Stämme können schwere Krankheiten verursachen, wie hämorrhagisches Fieber mit Nierensyndrom oder schwere Herz-Lungen-Störungen. HVs haben eine hohe Sterblichkeitsrate, wobei NWHV-Infektionen eine Sterblichkeitsrate von bis zu 40 % erreichen. Es ist bekannt, dass HVs in vielen Teilen der Welt epidemische Ausbrüche verursachen können, so auch in Deutschland, wo in den letzten zehn Jahren regelmäßig HV-Infektionen vorkamen. HV besitzt ein trisegmentiertes Genom. Das kleine Segment (S) kodiert das Nukleokapsidprotein (NP), das mittlere Segment (M) kodiert die Glykoproteine (GPs) Gn und Gc, die bei unabhängiger Expression Tetramere und Dimere bilden, und das große Segment (L) kodiert die RNA-abhängige RNA-Polymerase (RdRp). 

Die Wechselwirkungen zwischen diesen viralen Proteinen sind von entscheidender Bedeutung für die Aufklärung der Mechanismen der HV-entwicklung. Trotz aller Bemühungen fehlt es nach wie vor an der Quantifizierung dieser Verbindungen in lebenden Zellen. Dies ist für die Entwicklung komplexer Modelle für den Aufbau von HV erforderlich. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei Schlüsselfragen im Zusammenhang mit den ersten Phasen der Virionenbildung, an denen hauptsächlich die GPs und NP beteiligt sind.

Die Forschungsaufgaben in dieser Arbeit wurden mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationspektroskopie (FCS) untersucht. Die FCS wird häufig zur Bewertung der biophysikalischen Eigenschaften von Biomolekülen, einschließlich der Proteinkonzentration und Diffusionsdynamik, eingesetzt und macht eine Überexpression von Proteinen überflüssig. In dieser Arbeit wurde FFS in erster Linie eingesetzt, um die Multimerisierung von Proteinen bei Einzelzellauflösung zu untersuchen.

Die erste Frage lautete, welches das von Hepojoki et al. (2010) vorgeschlagene Modell der GP-Spike-Bildung den Vorgang in lebenden Zellen adäquat beschreibt. Es wurde ein neuartiger in cellulo-Assay entwickelt, um die Konzentration von fluoreszenzmarkierten und unmarkierten GPs bei der Ko-expression zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass Gn und Gc zunächst eine heterodimere Gn:Gc-Untereinheit bilden. Diese Untereinheit multimerisiert dann mit kongruenten Gn:Gc-Untereinheiten, um den finalen GP-Spike zu erzeugen. Auf der Grundlage dieser Interaktionen wurden zusätzlich Modelle entwickelt, die die Bildung des GP-Komplexes (mit mehreren GP-Spike-Untereinheiten) beschreiben.

Die HV-GP-Assemblierung findet hauptsächlich im Golgi-Apparat (GA) von infizierten Zellen statt. Interessanterweise wird angenommen, dass NWHV GPs an der Plasmamembran (PM) assembliert werden. Dies führte zur zweiten Frage dieser Arbeit, bei der ein systematischer Vergleich zwischen OWHV- und NWHV-GP durchgeführt wurde, um diese Hypothese zu bestätigen. Überraschenderweise wurde die GP-Lokalisierung an der PM bei OWHV- und NWHV-GPs gleichermaßen beobachtet. Ähnliche Ergebnisse wurden auch bei der Lokalisierung von OWHV- und NWHV-GP in Abwesenheit von zytoskelettalen Faktoren festgestellt, die die HV-Infektion regulieren.

Die letzte Frage dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Quantifizierung der NP-GP-Wechselwirkungen und das Verständnis ihres Einflusses auf die Multimerisierung von NP und GPs. Gc-Multimere, die in Gegenwart von NP nachgewiesen wurden, wurden durch das Vorhandensein von perinukleär lokalisierten Regionen mit starken NP-Gc-Wechselwirkungen in lebenden Zellen komplettiert. Es wurde gezeigt, dass die Gc-CT-Domäne die NP-Gc-Assoziationen beeinflusst. Gn hingegen bildete unabhängig von der Anwesenheit von NP tetramerische Komplexe.

Die Ergebnisse dieser Arbeit geben Aufschluss über die ersten Phasen der HV-Assemblierung, indem sie die Homo- und Hetero-Interaktionen zwischen NP und GPs quantifizieren, was sonst nur sehr schwer möglich ist. Schließlich können die in dieser Arbeit implementierten in cellulo-Methoden potenziell erweitert werden, um andere Schlüsselinteraktionen zu verstehen, die an der HV-Assemblierung beteiligt sind.
KW  - Hantavirus
KW  - fluorescence microscopy
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - protein multimerization
KW  - virus assembly
KW  - single cell imaging
KW  - Hantaviren
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Fluoreszenzkorrelationspektroskopie
KW  - Virionenbildung
KW  - Proteinmultimerisierung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586612
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gätjen, Dominic
T1  - A Pichia pastoris surface display system for the efficient screening of high-producing antibody clones
N2  - Pichia pastoris (syn. Komagataella phaffi) is a distinguished expression system widely used in industrial production processes. Recent molecular research has focused on numerous approaches to increase recombinant protein yield in P. pastoris. For example, the design of expression vectors and synthetic genetic elements, gene copy number optimization, or co-expression of helper proteins
(transcription factors, chaperones, etc.). However, high clonal variability of transformants and low screening throughput have hampered significant success.
To enhance screening capacities, display-based methodologies inherit the potential for efficient isolation of producer clones via fluorescence-activated cell sorting (FACS). Therefore, this study focused on developing a novel clone selection method that is based on the non-covalent attachment of Fab fragments on the P. pastoris cell surface to be applicable for FACS.
Initially, a P. pastoris display system was developed, which is a prerequisite for the surface capture of secreted Fabs. A Design of Experiments approach was applied to analyze the influence of various genetic elements on antibody fragment display. The combined P. pastoris formaldehyde dehydrogenase promoter (PFLD1), Saccharomyces cerevisiae invertase 2 signal peptide (ScSUC2), - agglutinin (ScSAG1) anchor protein, and the ARS of Kluyveromyces lactis (panARS) conferred highest display levels.
Subsequently, eight single-chain variable fragments (scFv) specific for the constant part of the Fab heavy or light chain were individually displayed in P. pastoris. Among the tested scFvs, the anti-human CH1 IgG domain scFv allowed the most efficient Fab capture detected by flow cytometry.
Irrespective of the Fab sequence, exogenously added as well as simultaneously secreted Fabs were successfully captured on the cell surface. Furthermore, Fab secretion capacities were shown to correlate to the level of surface-bound Fabs as demonstrated for characterized producer clones.
Flow-sorted clones presenting high amounts of Fabs showed an increase in median Fab titers (factor of 21 to 49) compared to unsorted clones when screened in deep-well plates. For selected candidates, improved functional Fab yields of sorted cells vs. unsorted cells were confirmed in an upscaled shake flask production. Since the scFv capture matrix was encoded on an episomal plasmid with inherently unstable autonomously replicating sequences (ARS), efficient plasmid curing was observed after removing the selective pressure. Hence, sorted clones could be immediately used for production without the need to modify the expression host or vector. The resulting switchable display/secretion system provides a streamlined approach for the isolation of Fab producers and subsequent Fab production.
KW  - Pichia pastoris
KW  - Antibody
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Riedel, Soraya Lisanne
T1  - Development of electrochemical antibody-based and enzymatic assays for mycotoxin analysis in food
T1  - Entwicklung elektrochemischer Antikörper- und Enzym-basierter Assays für die Analyse von Mykotoxinen in Lebensmitteln
N2  - Electrochemical methods are promising to meet the demand for easy-to-use devices monitoring key parameters in the food industry. Many companies run own lab procedures for mycotoxin analysis, but it is a major goal to simplify the analysis. The enzyme-linked immunosorbent assay using horseradish peroxidase as enzymatic label, together with 3,3',5,5' tetramethylbenzidine (TMB)/H2O2 as substrates allows sensitive mycotoxin detection with optical detection methods. For the miniaturization of the detection step, an electrochemical system for mycotoxin analysis was developed. To this end, the electrochemical detection of TMB was studied by cyclic voltammetry on different screen-printed electrodes (carbon and gold) and at different pH values (pH 1 and pH 4). A stable electrode reaction, which is the basis for the further construction of the electrochemical detection system, could be achieved at pH 1 on gold electrodes. An amperometric detection method for oxidized TMB, using a custom-made flow cell for screen-printed electrodes, was established and applied for a competitive magnetic bead-based immunoassay for the mycotoxin ochratoxin A. A limit of detection of 150 pM (60 ng/L) could be obtained and the results were verified with optical detection. The applicability of the magnetic bead-based immunoassay was tested in spiked beer using a handheld potentiostat connected via Bluetooth to a smartphone for amperometric detection allowing to quantify ochratoxin A down to 1.2 nM (0.5 µg/L).
Based on the developed electrochemical detection system for TMB, the applicability of the approach was demonstrated with a magnetic bead-based immunoassay for the ergot alkaloid, ergometrine. Under optimized assay conditions a limit of detection of 3 nM (1 µg/L) was achieved and in spiked rye flour samples ergometrine levels in a range from 25 to 250 µg/kg could be quantified. All results were verified with optical detection. The developed electrochemical detection method for TMB gives great promise for the detection of TMB in many other HRP-based assays.
A new sensing approach, based on an enzymatic electrochemical detection system for the mycotoxin fumonisin B1 was established using an Aspergillus niger fumonisin amine oxidase (AnFAO). AnFAO was produced recombinantly in E. coli as maltose-binding protein fusion protein and catalyzes the oxidative deamination of fumonisins, producing hydrogen peroxide. It was found that AnFAO has a high storage and temperature stability. The enzyme was coupled covalently to magnetic particles, and the enzymatically produced H2O2 in the reaction with fumonisin B1 was detected amperometrically in a flow injection system using Prussian blue/carbon electrodes and the custom-made wall-jet flow cell. Fumonisin B1 could be quantified down to 1.5 µM (≈ 1 mg/L). The developed system represents a new approach to detect mycotoxins using enzymes and electrochemical methods.
N2  - Zur Entwicklung von einfach zu bedienenden Vor-Ort-Geräten, welche für die Analytik von wichtigen Parametern in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden können, sind elektrochemische Methoden besonders vielversprechend. Viele Unternehmen führen bereits Mykotoxinanalytik in eigenen Laboren am Produktionsstandort durch, dennoch gibt es große Bestrebungen Analysenmethoden weiter zu vereinfachen. Der Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA), welcher häufig mit der Meerrettichperoxidase als enzymatischem Label und 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB)/H2O2 als Enzymsubstraten arbeitet, ermöglicht den sensitiven Mykotoxinnachweis mithilfe optischer Detektionsmethoden. Zur Miniaturisierung des Detektionsschrittes wurde in dieser Arbeit der Aufbau von elektrochemischen Detektionssystemen für die Mykotoxinanalytik untersucht. Dazu wurde zunächst die elektrochemische Reaktion von TMB an verschiedenen Materialien siebgedruckter Elektroden (Kohlenstoff und Gold) sowie bei verschiedenen pH-Werten (pH 1 und pH 4) untersucht. Eine stabile Elektrodenreaktion, welche die Grundlage für den weiteren Aufbau des elektrochemischen Detektionssystems darstellt, konnte bei pH 1 an Goldelektroden erzielt werden. Basierend darauf wurde eine amperometrische Detektionsmethode für oxidiertes TMB entwickelt, wofür eine maßgefertigte Durchflusszelle verwendet wurde. Die amperometrische TMB-Detektion wurde für einen kompetitiven Magnetpartikel-basierten Immunoassay für Ochratoxin A eingesetzt. Mit diesem Assay wurde eine Nachweisgrenze von 150 pM (60 ng L-1) erreicht und die Ergebnisse konnten durch optische Detektion verifiziert werden. Die Anwendbarkeit des Assays konnte in Ochratoxin A dotiertem Bier demonstriert werden, wobei für die Detektion ein tragbarer Potentiostat verwendet wurde, welcher über Bluetooth mit einem Smartphone verbunden war. Hiermit konnten niedrige Ochratoxin A Konzentration von bis zu 1.2 nM (0.5 µg L-1) bestimmt werden.
Aufbauend auf dem entwickelten elektrochemischen Detektionssystem für TMB wurde die Anwendbarkeit des Ansatzes auf einen Magnetpartikel-basierten Immunoassay für das Ergotalkaloid Ergometrine, evaluiert. Unter optimierten Bedingungen konnte mit dem Assay eine Nachweisgrenze von 3 nM (1 µg L-1) erreicht werden. In mit Ergometrin versetztem Roggenmehl konnten Konzentrationen von 25 bis 250 µg kg-1 nachgewiesen werden. Die entwickelte elektrochemische Nachweismethode für TMB bietet einen vielversprechenden Ansatz für den Einsatz in vielen anderen Meerrettichperoxidase-basierten Assays.
Für das Mykotoxin Fumonisin B1, wurde ein neues sensorisches System entwickelt, welches auf einem enzymatischen elektrochemischen Nachweis basiert. Hierfür wurde eine Aspergillus niger Fumonisin Aminoxidase (AnFAO) rekombinant als Fusionsprotein mit dem Maltose-bindenden Protein exprimiert. AnFAO katalysiert die oxidative Deaminierung von Fumonisinen, wobei H2O2 gebildet wird. Es konnte gezeigt werden, dass AnFAO eine hohe Lagerungs- und Temperaturstabilität hat. Für den Nachweis von Fumonisin B1 wurde das Enzym kovalent an Magnetpartikel gekoppelt. Das enzymatisch produzierte H2O2 konnte anschließend amperometrisch mithilfe von Preußisch Blau/Kohlenstoff-Elektroden in der maßgefertigten Durchflusszelle detektiert werden. Fumonisin B1 konnte bis zu einer Konzentration von 1,5 µM (≈ 1 mg L-1) quantifiziert werden. Das entwickelte System stellt einen neuen Ansatz dar, um Mykotoxine unter Nutzung von Enzymen und elektrochemischen Methoden zu detektieren.
KW  - mycotoxins
KW  - Mykotoxine
KW  - immunoassay
KW  - Immunoassay
KW  - food analysis
KW  - Lebensmittelanalytik
KW  - enzyme
KW  - Enzym
KW  - amperometry
KW  - Amperometrie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607477
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Taguchi, Mioko
A1  - Goto, Mutsuo
A1  - Matsuoka, Koji
A1  - Tiedemann, Ralph
A1  - Pastene, Luis A.
T1  - Population genetic structure of Bryde's whales (Balaenoptera brydei) on the central and western North Pacific feeding grounds
JF  - Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences
N2  - The genetic structure of Bryde's whale (Balaenoptera brydei) on the central and western North Pacific feeding grounds was investigated using a total of 1195 mitochondrial control region sequences and 1182 microsatellite genotypes at 17 loci in specimens collected from three longitudinal areas, 1W (135 degrees E-165 degrees E), 1E (165 degrees E-180 degrees), and 2 (180 degrees-155 degrees W). Genetic diversities were similar among areas and a haplotype network did not show any geographic structure, while an analysis of molecular variance found evidence of genetic structure in this species. Pairwise FST and G'ST estimates and heterogeneity tests attributed this structure to weak but significant differentiation between areas 1W/1E and 2. A Mantel test and a high-resolution analysis of genetic diversity statistics showed a weak spatial cline of genetic differentiation. These findings could be reconciled by two possible stock structure scenarios: (1) a single population with kin-association affecting feeding ground preference and (2) two populations with feeding ground preference for either area 1W or area 2. An estimated dispersal rate between areas 1W and 2 indicates that both scenarios should be considered as a precautionary principle in stock assessments.
KW  - stock structure
KW  - stock assessment
KW  - fisheries management
KW  - conservation
KW  - cetacean
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1139/cjfas-2022-0005
SN  - 0706-652X
SN  - 1205-7533
VL  - 80
IS  - 1
SP  - 142
EP  - 155
PB  - Canadian science publishing
CY  - Ottawa
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gramma, Vladislav
T1  - Potato FLC-like and SVP-like proteins jointly control growth and distinct developmental processes
N2  - Based on worldwide consumption, Solanum tuberosum L. (potato) is the most important non-grain food crop. Potato has two ways of stable propagation: sexually via flowering and vegetatively via tuberization. Remarkably, these two developmental processes are controlled by similar molecular regulators and mechanisms. Given that FLC and SVP genes act as key flowering regulators in the model species Arabidopsis and in various other crop species, this study aimed at identifying FLC and SVP homologs in potato and investigating their roles in the regulation of plant development, with a particular focus on flowering and tuberization. Our analysis demonstrated that there are five FLC-like and three SVP like proteins encoded in the potato genome. The expression profiles of StFLCs and StSVPs throughout potato development and the detected interactions between their proteins indicate tissue specificity of the individual genes and distinct roles of a variety of putative protein complexes. In particular, we discovered that StFLC-D, as well as StFLC-B, StSVP-A, and StSVP-B play a complex role in the regulation of flowering time, as not only increased but also decreased levels of their transcripts promote earlier flowering. Most importantly, StFLC-D has a marked impact on tuberization under non-inductive conditions and susceptibility to temperature-induced tuber malformation, also known as second growth. Plants with decreased levels of StFLC-D demonstrated a strong ability to produce tubers under long days and appeared to be insensitive to temperature-induced second growth. Lastly, our data also suggests that StFLCs and StSVPs may be involved in the nitrogen-dependent regulation of potato development. Taken together, this study highlights the functional importance of StFLC and StSVP genes in the regulation of distinct developmental processes in potato.
KW  - potato
KW  - Solanum tuberosum
KW  - tuberization
KW  - flowering
KW  - FLOWERING LOCUS C
KW  - FLC
KW  - short vegetative phase
KW  - SVP
KW  - tuber second growth
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Parry, Victor
T1  - From individual to community level: Assessing swimming movement, dispersal and fitness of zooplankton
T1  - Vom Individuum zur Gemeinschaft: Bewertung von Schwimmbewegungen, Ausbreitung und Fitness von Zooplankton
N2  - Movement is a mechanism that shapes biodiversity patterns across spatialtemporal scales. Thereby, the movement process affects species interactions, population dynamics and community composition. In this thesis, I disentangled the effects of movement on the biodiversity of zooplankton ranging from the individual to the community level. On the individual movement level, I used video-based analysis to explore the implication of movement behavior on preypredator interactions. My results showed that swimming behavior was of great importance as it determined their survival in the face of predation. The findings also additionally highlighted the relevance of the defense status/morphology of prey, as it not only affected the prey-predator relationship by the defense itself but also by plastic movement behavior. On the community movement level, I used a field mesocosm experiment to explore the role of dispersal (time i.e., from the egg bank into the water body and space i.e., between water bodies) in shaping zooplankton metacommunities. My results revealed that priority effects and taxon-specific dispersal limitation influenced community composition. Additionally, different modes of dispersal also generated distinct community structures. The egg bank and biotic vectors (i.e. mobile links) played significant roles in the colonization of newly available habitat patches. One crucial aspect that influences zooplankton species after arrival in new habitats is the local environmental conditions. By using common garden experiments, I assessed the performance of zooplankton communities in their home vs away environments in a group of ponds embedded within an agricultural landscape. I identified environmental filtering as a driving factor as zooplankton communities from individual ponds developed differently in their home and away environments. On the individual species level, there was no consistent indication of local adaptation. For some species, I found a higher abundance/fitness in their home environment, but for others, the opposite was the case, and some cases were indifferent.
Overall, the thesis highlights the links between movement and biodiversity patterns, ranging from the individual active movement to the community level.
N2  - Fortbewegung ist ein Mechanismus, der die Biodiversitätsmuster sowohl über räumliche als auch zeitliche Skalen hinweg prägt. Dabei beeinflusst der Bewegungsprozess die Interaktionen zwischen den Arten, die Populationsdynamik und die Zusammensetzung der Gemeinschaften. Diese Arbeit dient dazu die Auswirkungen der Bewegung auf die Biodiversitätsmuster des Zooplanktons sowohl auf der individuellen als auch gemeinschaftlichen Ebene zu untersuchen. Um auf der individuellen Ebene die Auswirkungen des Bewegungsverhaltens auf die Interaktionen zwischen Räuber und Beute zu untersuchen, wurde eine videobasierte Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Schwimmverhalten von großer Bedeutung ist, da es über das Überleben der Tiere im Angesicht von Räubern entscheidet. Darüber hinaus verdeutlichen die Ergebnisse die Rolle des Verteidigungsstatus bzw. der Morphologie der Beutetiere, da diese nicht nur durch die Verteidigung selbst, sondern auch durch die Plastizität des Bewegungsverhaltens, die Beziehung zwischen Beute und Raubtier beeinflussen. Auf der Ebene der Bewegung von Gemeinschaften habe ich ein Mesokosmen-Feldexperiment durchgeführt, um die Rolle der Ausbreitung (zeitlich, d. h. von den Überdauerungsstadien, welche im Sediment gelagert sind, in Kleingewässer, und räumlich, d. h. zwischen Kleingewässer) bei der Strukturierung von Zooplankton-Metagemeinschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse konnten zeigen, dass Prioritätseffekte und taxon-spezifische Ausbreitungslimitierungen die Zusammensetzung der Gemeinschaften beeinflussen. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass die unterschiedlichen Ausbreitungsarten (Windausbreitung und Tierverbreitung). Einfluss auf die Gemeinschaftsstrukturen haben. Zusätzlich spielt das Überdauerungsstadien-Reservoir in Sedimenten“, sowie biotische Ausbreitungsvektoren (d. h. Tiere, engl. mobile links), eine wichtige Rolle bei der Besiedlung neuer Habitate. Die lokalen Umweltbedingungen, die eine ankommende Art in einem Habitat vorfindet, sind ein entscheidender Aspekt, der die Struktur der Zooplanktongemeinschaft beeinflusst. Mit Hilfe eines Laborexperiments, für welches Wasserproben aus Kleingewässern/Söllen genutzt wurden, die von einer Agrarlandschaft umgeben sind, konnte ich die Fitness von Zooplanktongemeinschaften in ihrem Heimathabitat vs. in einem neuen Habitat untersuchen. Hierbei konnte ich zeigen, dass die Umweltfilterung ein entscheidender Faktor für die Gemeinschaftsstrukturierung ist, da sich die Zooplanktongemeinschaften der einzelnen Kleingewässer in ihrer Heimatumgebung anders entwickelten als in einer neuen Umgebung. Auf der Art-Ebene, konnte ich jedoch keine eindeutigen Hinweise auf eine lokale Anpassung finden. Bei einigen Arten konnten allerdings höhere Abundanz/Fitness in ihrer Heimatumgebung festgestellt werden, bei anderen war das Gegenteil der Fall, und in einigen F¨allen gab es keine eindeutigen Unterschiede.
Zusammenfassend, unterstreicht diese Arbeit die Zusammenhänge zwischen Bewegungs- und Biodiversitätsmustern, die von der aktiven Bewegung des Einzelnen bis hin zur Gemeinschaftsebene reichen.
KW  - movement
KW  - zooplankton
KW  - dispersal
KW  - video analysis
KW  - environment filtering
KW  - Fortbewegung
KW  - Ausbreitung
KW  - Videoanalyse
KW  - Umweltfilterung
KW  - Zooplankton
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-597697
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pramanik, Shreya
T1  - Protein reconstitution in giant vesicles
N2  - Das Leben auf der Erde ist vielfältig und reicht von einzelligen Organismen bis hin zu mehrzelligen Lebewesen wie dem Menschen. Obwohl es Theorien darüber gibt, wie sich diese Organismen entwickelt haben könnten, verstehen wir nur wenig darüber, wie "Leben" aus Molekülen entstanden ist. Die synthetische Bottom-up-Biologie zielt darauf ab, minimale Zellen zu schaffen, indem sie verschiedene Module wie Kompartimentierung, Wachstum, Teilung und zelluläre Kommunikation kombiniert.
Alle lebenden Zellen haben eine Membran, die sie von dem sie umgebenden wässrigen Medium trennt und sie schützt. Darüber hinaus haben alle eukaryotischen Zellen Organellen, die von intrazellulären Membranen umschlossen sind. Jede Zellmembran besteht hauptsächlich aus einer Lipiddoppelschicht mit Membranproteinen. Lipide sind amphiphile Moleküle, die molekulare Doppelschichten aus zwei Lipid-Monoschichten oder Blättchen bilden. Die hydrophoben Ketten der Lipide sind einander zugewandt, während ihre hydrophilen Kopfgruppen die Grenzflächen zur wässrigen Umgebung bilden. Riesenvesikel sind Modellmembransysteme, die Kompartimente mit einer Größe von mehreren Mikrometern bilden und von einer einzigen Lipiddoppelschicht umgeben sind. Die Größe der Riesenvesikel ist mit der Größe von Zellen vergleichbar und macht sie zu guten Membranmodellen, die mit einem Lichtmikroskop untersucht werden können. Allerdings fehlen den Riesenvesikelmembranen nach der ersten Präparation Membranproteine, die in weiteren Präparationsschritten in diese Membranen eingebaut werden müssen. Je nach Protein kann es entweder über Ankerlipide an eines der Membranblättchen gebunden oder über seine Transmembrandomänen in die Lipiddoppelschicht eingebaut werden.
Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Riesenvesikeln und der Rekonstitution von Proteinen in diesen Vesikeln. Außerdem wird ein mikrofluidischer Chip entworfen, der in verschiedenen Experimenten verwendet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden anderen Forschern helfen, die Protokolle für die Herstellung von GUVs zu verstehen, Proteine in GUVs zu rekonstituieren und Experimente mit dem mikrofluidischen Chip durchzuführen. Auf diese Weise wird die vorliegende Arbeit für das langfristige Ziel von Nutzen sein, die verschiedenen Module der synthetischen Biologie zu kombinieren, um eine Minimalzelle zu schaffen.
N2  - Life on Earth is diverse and ranges from unicellular organisms to multicellular creatures like humans. Although there are theories about how these organisms might have evolved, we understand little about how ‘life’ started from molecules. Bottom-up synthetic biology aims to create minimal cells by combining different modules, such as compartmentalization, growth, division, and cellular communication.
All living cells have a membrane that separates them from the surrounding aqueous medium and helps to protect them. In addition, all eukaryotic cells have organelles that are enclosed by intracellular membranes. Each cellular membrane is primarily made of a lipid bilayer with membrane proteins. Lipids are amphiphilic molecules that assemble into molecular bilayers consisting of two leaflets. The hydrophobic chains of the lipids in the two leaflets face each other, and their hydrophilic headgroups face the aqueous surroundings. Giant unilamellar vesicles (GUVs) are model membrane systems that form large compartments with a size of many micrometers and enclosed by a single lipid bilayer. The size of GUVs is comparable to the size of cells, making them good membrane models which can be studied using an optical microscope. However, after the initial preparation, GUV membranes lack membrane proteins which have to be reconstituted into these membranes by subsequent preparation steps. Depending on the protein, it can be either attached via anchor lipids to one of the membrane leaflets or inserted into the lipid bilayer via its transmembrane domains.
The first step is to prepare the GUVs and then expose them to an exterior solution with proteins. Various protocols have been developed for the initial preparation of GUVs. For the second step, the GUVs can be exposed to a bulk solution of protein or can be trapped in a microfluidic device and then supplied with the protein solution. To minimize the amount of solution and for more precise measurements, I have designed a microfluidic device that has a main channel, and several dead-end side channels that are perpendicular to the main channel. The GUVs are trapped in the dead-end channels. This design exchanges the solution around the GUVs via diffusion from the main channel, thus shielding the GUVs from the flow within the main channel. This device has a small volume of just 2.5 μL, can be used without a pump and can be combined with a confocal microscope, enabling uninterrupted imaging of the GUVs during the experiments. I used this device for most of the experiments on GUVs that are discussed in this thesis.
In the first project of the thesis, a lipid mixture doped with an anchor lipid was used that can bind to a histidine chain (referred to as His-tag(ged) or 6H) via the metal cation Ni2+. This method is widely used for the biofunctionalization of GUVs by attaching proteins without a transmembrane domain. Fluorescently labeled His-tags which are bound to a membrane can be observed in a confocal microscope. Using the same lipid mixture, I prepared the GUVs with different protocols and investigated the membrane composition of the resulting GUVs by evaluating the amount of fluorescently labeled His-tagged molecules bound to their membranes. I used the microfluidic device described above to expose the outer leaflet of the vesicle to a constant concentration of the His-tagged molecules. Two fluorescent molecules with a His-tag were studied and compared: green fluorescent protein (6H-GFP) and fluorescein isothiocyanate (6H-FITC). Although the quantum yield in solution is similar for both molecules, the brightness of the membrane-bound 6H-GFP is higher than the brightness of the membrane-bound 6H-FITC. The observed difference in the brightness reveals that the fluorescence of the 6H-FITC is quenched by the anchor lipid via the Ni2+ ion. Furthermore, my measurements also showed that the fluorescence intensity of the membranebound His-tagged molecules depends on microenvironmental factors such as pH. For both 6H-GFP and 6H-FITC, the interaction with the membrane is quantified by evaluating the equilibrium dissociation constant. The membrane fluorescence is measured as a function of the fluorophores’ molar concentration. Theoretical analysis of these data leads to the equilibrium dissociation constants of (37.5 ± 7.5) nM for 6H-GFP and (18.5 ± 3.7) nM for 6H-FITC.
The anchor lipid mentioned previously used the metal cation Ni2+ to mediate the bond between the anchor lipid and the His-tag. The Ni2+ ion can be replaced by other transition metal ions. Studies have shown that Co3+ forms the strongest bonds with the His-tags attached to proteins. In these studies, strong oxidizing agents were used to oxidize the Co2+ mediated complex with the His-tagged protein to a Co3+ mediated complex. This procedure puts the proteins at risk of being oxidized as well. In this thesis, the vesicles were first prepared with anchor lipids without any metal cation. The Co3+ was added to these anchor lipids and finally the His-tagged protein was added to the GUVs to form the Co3+ mediated bond. This system was also established using the microfluidic device.
The different preparation procedures of GUVs usually lead to vesicles with a spherical morphology. On the other hand, many cell organelles have a more complex architecture with a non spherical topology. One fascinating example is provided by the endoplasmic reticulum (ER) which is made of a continuous membrane and extends throughout the cell in the form of tubes and sheets. The tubes are connected by three-way junctions and form a tubular network of irregular polygons. The formation and maintenance of these reticular networks requires membrane proteins that hydrolyize guanosine triphosphate (GTP). One of these membrane proteins is atlastin. In this thesis, I reconstituted the atlastin protein in GUV membranes using detergent-assisted reconstitution protocols to insert the proteins directly into lipid bilayers.
This thesis focuses on protein reconstitution by binding His-tagged proteins to anchor lipids and by detergent-assisted insertion of proteins with transmembrane domains. It also provides the design of a microfluidic device that can be used in various experiments, one example is the evaluation of the equilibrium dissociation constant for membrane-protein interactions. The results of this thesis will help other researchers to understand the protocols for preparing GUVs, to reconstitute proteins in GUVs, and to perform experiments using the microfluidic device. This knowledge should be beneficial for the long-term goal of combining the different modules of synthetic biology to make a minimal cell.
KW  - protein reconstitution
KW  - giant vesicles
KW  - microfluidics
KW  - synthetic biology
KW  - Riesenvesikel
KW  - Mikrofluidik
KW  - Proteinrekonstitution
KW  - synthetische Biologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612781
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mendes Ferreira, Clara
T1  - Indirect, tri-trophic effects of fear on biodiversity
N2  - Predator-forager interactions are a major factor in evolutionary adaptation of many species, as predators need to gain energy by consuming prey species, and foragers needs to avoid the worst fate of mortality while still consuming resources for energetic gains. In this evolutionary arms race, the foragers have constantly evolved anti-predator behaviours (e.g. foraging activity changes). To describe all these complex changes, researchers developed the framework of the landscape of fear, that is, the spatio-temporal variation of perceived predation risk. This concept simplifies all the involved ecological processes into one framework, by integrating animal biology and distribution with habitat characteristics. Researchers can then evaluate the perception of predation risk in prey species, what are the behavioural responses of the prey and, therefore, understand the cascading effects of landscapes of fear at the resource levels (tri-trophic effects). Although tri-trophic effects are well studied at the predator-prey interaction level, little is known on how the forager-resource interactions are part of the overall cascading effects of landscapes of fear, despite the changes of forager feeding behaviour - that occur with perceived predation risk - affecting directly the level of the resources.
This thesis aimed to evaluate the cascading effects of the landscape of fear on biodiversity of resources, and how the feeding behaviour and movement of foragers shaped the final resource species composition (potential coexistence mechanisms). We studied the changes caused by landscapes of fear on wild and captive rodent communities and evaluated: the cascading effects of different landscapes of fear on a tri-trophic system (I), the effects of fear on a forager’s movement patterns and dietary preferences (II) and cascading effects of different types of predation risk (terrestrial versus avian, III).
In Chapter I, we applied a novel measure to evaluate the cascading effects of fear at the level of resources, by quantifying the diversity of resources left after the foragers gave-up on foraging (diversity at the giving-up density). We tested the measure at different spatial levels (local and regional) and observed that with decreased perceived predation risk, the density and biodiversity of resources also decreased. Foragers left a very dissimilar community of resources based on perceived risk and resources functional traits, and therefore acted as an equalising mechanism.
In Chapter II, we wanted to understand further the decision-making processes of rodents in different landscapes of fear, namely, in which resource species rodents decided to forage on (based on three functional traits: size, nutrients and shape) and how they moved depending on perceived predation risk. In safe landscapes, individuals increased their feeding activity and movements and despite the increased costs, they visited more often patches that were further away from their central-place. Despite a preference for the bigger resources regardless of risk, when perceived predation risk was low, individuals changed their preference to fat-rich resources.
In Chapter III, we evaluated the cascading effects of two different types of predation risk in rodents: terrestrial (raccoon) versus avian predation risk. Raccoon presence or absence did not alter the rodents feeding behaviour in different landscapes of fear. Rodent’s showed risk avoidance behaviours towards avian predators (spatial risk avoidance), but not towards raccoons (lack of temporal risk avoidance).
By analysing the effects of fear in tri-trophic systems, we were able to deepen the knowledge of how non-consumptive effects of predators affect the behaviour of foragers, and quantitatively measure the cascading effects at the level of resources with a novel measure. Foragers are at the core of the ecological processes and responses to the landscape of fear, acting as variable coexistence agents for resource species depending on perceived predation risk. This newly found measures and knowledge can be applied to more trophic chains, and inform researchers on biodiversity patterns originating from landscapes of fear.
N2  - Die Wechselwirkungen zwischen Raubtier und Beute sind ein wichtiger Faktor in der Evolution der Tierwelt, da sich die Raubtiere anpassen müssen, um ihre Beute besser jagen zu können und die Beutetiere vermeiden müssen, gefressen zu werden, während sie immer noch genügend Ressourcen für ihre täglichen Bedürfnisse verbrauchen. In diesem ständigen Kampf müssen die Beutetiere ihr Verhalten ständig ändern, da sie die Anwesenheit von Raubtieren fürchten. Die Landschaft der Angst ist ein Rahmen, der alle ökologischen Prozesse beschreibt, die ablaufen, wenn die Tiere das Raubtierrisiko auf unterschiedliche Weise wahrnehmen. In Angstlandschaften reichen die indirekten Auswirkungen der Angst vor einem Raubtier aus, um eine Vielzahl von Reaktionen bei den Beutetieren hervorzurufen und folglich die Art und Weise zu beeinflussen, in der die Beutetiere Naturgutstype fressen (tritrophe Effekte).
Während die Interaktionen zwischen Raubtieren und Beutetieren gut erforscht sind, fehlt es an Wissen darüber, wie die Landschaft der Angst die Interaktionen zwischen Beutetieren und Naturgutstype beeinflussen kann (z. B. Pflanzenfresser, die Pflanzen fressen). In dieser Arbeit untersuchten wir die Kaskadeneffekte (d.h. Domino Effekte), die Beutetiere auf Naturgutstype haben, wenn sie verschiedene Prädationsrisiken wahrnehmen. Insbesondere wollten wir untersuchen, wie die Beutetiere entscheiden, was sie fressen und wohin sie sich bewegen, wie sich diese Veränderungen auf die biologische Vielfalt der Ressourcen auswirken können und welche Folgen dies für die Evolution der Ressourcenarten hat.
Für alle unsere Studien haben wir Nagetiere als Modellarten verwendet. Wir entwickelten ein neues Maß zur Quantifizierung der Auswirkungen von Angst auf die biologische Vielfalt von Ressourcen und testeten es erfolgreich an wilden Nagetierpopulationen. Wir konnten beobachten, dass die Nagetiere unterschiedliche Samenarten und -mengen fressen, je nachdem, wie sie das Raubtierrisiko einschätzen und abhängig von den Eigenschaften der Samen und der Art der vorhandenen Raubtiere (terrestrische oder aviäre Fleischfresser). Wir konnten diese Veränderungen quantifizieren und Vorhersagen darüber machen, wie sich der Wettbewerb zwischen den Samen um das Wachstum verändern würde (Koexistenzmechanismen). Mit diesem Wissen haben wir den Rahmen der Angstlandschaft um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Beute und Ressourcen erweitert und können unsere Erkenntnisse auch dazu nutzen, um zu verstehen, wie weitere Tierarten die biologische Vielfalt anderer Arten verändern, indem wir einfach verstehen, wie ängstlich sie sind.
KW  - landscape of fear
KW  - functional traits
KW  - foraging behaviour
KW  - biodiversity
KW  - giving-up density
KW  - cascading effects
KW  - Biodiversität
KW  - Kaskadeneffekte
KW  - Futtersuchverhalten
KW  - funktionale Merkmale
KW  - Landschaft der Angst
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611020
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bysani Kondagari, Viswanada Reddy
T1  - Engineering and evolution of saccharomyces cerevisiae for synthetic formatotrophic growth via the reductive glycine pathway
N2  - Increasing demand for food, healthcare, and transportation arising from the growing world population is accompanied by and driving global warming challenges due to the rise of the atmospheric CO2 concentration. Industrialization for human needs has been increasingly releasing CO2 into the atmosphere for the last century or more. In recent years, the possibility of recycling CO2 to stabilize the atmospheric CO2 concentration and combat rising temperatures has gained attention. Thus, using CO2 as the feedstock to address future world demands is the ultimate solution while controlling the rapid climate change. Valorizing CO2 to produce activated and stable one-carbon feedstocks like formate and methanol and further upgrading them to industrial microbial processes to replace unsustainable feedstocks would be crucial for a future biobased circular economy. However, not all microbes can grow on formate as a feedstock, and those microbes that can grow are not well established for industrial processes.
S. cerevisiae is one of the industrially well-established microbes, and it is a significant contributor to bioprocess industries. However, it cannot grow on formate as a sole carbon and energy source. Thus, engineering S. cerevisiae to grow on formate could potentially pave the way to sustainable biomass and value-added chemicals production. 
The Reductive Glycine Pathway (RGP), designed as the aerobic twin of the anaerobic Reductive Acetyl-CoA pathway, is an efficient formate and CO2 assimilation pathway. The RGP comprises of the glycine synthesis module (Mis1p, Gcv1p, Gcv2p, Gcv3p, and Lpd1p), the glycine to serine conversion module (Shmtp), the pyruvate synthesis module (Cha1p), and the energy supply module (Fdh1p). The RGP requires formate and elevated CO2 levels to operate the glycine synthesis module. In this study, I established the RGP in the yeast system using growth-coupled selection strategies to achieve formate and CO2-dependent biomass formation in aerobic conditions.  
Firstly, I constructed serine biosensor strains by disrupting the native serine and glycine biosynthesis routes in the prototrophic S288c and FL100 yeast strains and insulated serine, glycine, and one-carbon metabolism from the central metabolic network. These strains cannot grow on glucose as the sole carbon source but require the supply of serine or glycine to complement the engineered auxotrophies. Using growth as a readout, I employed these strains as selection hosts to establish the RGP. Initially, to achieve this, I engineered different serine-hydroxymethyltransferases in the genome of serine biosensor strains for efficient glycine to serine conversion. Then, I implemented the glycine synthesis module of the RGP in these strains for the glycine and serine synthesis from formate and CO2. I successfully conducted Adaptive Laboratory Evolution (ALE) using these strains, which yielded a strain capable of glycine and serine biosynthesis from formate and CO2. Significant growth improvements from 0.0041 h-1 to 0.03695 h-1 were observed during ALE. To validate glycine and serine synthesis, I conducted carbon tracing experiments with 13C formate and 13CO2, confirming that more than 90% of glycine and serine biosynthesis in the evolved strains occurs via the RGP. Interestingly, labeling data also revealed that 10-15% of alanine was labelled, indicating pyruvate synthesis from the formate-derived serine using native serine deaminase (Cha1p) activity. Thus, RGP contributes to a small pyruvate pool which is converted to alanine without any selection pressure for pyruvate synthesis from formate. Hence, this data confirms the activity of all three modules of RGP even in the presence of glucose. Further, ALE in glucose limiting conditions did not improve pyruvate flux via the RGP.
Growth characterization of these strains showed that the best growth rates were achieved in formate concentrations between 25 mM to 300 mM. Optimum growth required 5% CO2, and dropped when the CO2 concentration was reduced from 5% to 2.5%.
Whole-genome sequencing of these evolved strains revealed mutations in genes that encode Gdh1p, Pet9p, and Idh1p. These enzymes might influence intracellular NADPH, ATP, and NADH levels, indicating adjustment to meet the energy demand of the RGP. I reverse-engineered the GDH1 truncation mutation on unevolved serine biosensor strains and reproduced formate dependent growth. To elucidate the effect of the GDH1 mutation on formate assimilation, I reintroduced this mutation in the S288c strain and conducted carbon-tracing experiments to compared formate assimilation between WT and ∆gdh1 mutant strains. Comparatively, enhanced formate assimilation was recorded in the ∆gdh1 mutant strain. 
Although the 13C carbon tracing experiments confirmed the activity of all three modules of the RGP, the overall pyruvate flux via the RGP might be limited by the supply of reducing power. Hence, in a different approach, I overexpressed the formate dehydrogenase (Fdh1p) for energy supply and serine deaminase (Cha1p) for active pyruvate synthesis in the S288c parental strain and established growth on formate and serine without glucose in the medium. Further reengineering and evolution of this strain with a consistent energy, and formate-derived serine supply for pyruvate synthesis, is essential to achieve complete formatotrophic growth in the yeast system.
N2  - Die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln, Gesundheitsfürsorge und Transportmitteln durch die stetig wachsende Weltbevölkerung, sorgen für eine dramatisch fortschreitende globale Erwärmung; verursacht durch den massiven weltweiten CO2 Ausstoß. Durch die Industrialisierung wurde im vergangenen Jahrhundert immer mehr CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. Recycling von CO2 hat in den letzten Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen, um die steigenden Temperaturen zu stabilisieren. CO2 ist somit der ultimative Rohstoff, um den künftigen weltweiten Bedarf zu decken und gleichzeitig den raschen Klimawandel zu kontrollieren. Die Verwendung von CO2 zur Herstellung von aktivierten Ein-Kohlenstoff-Verbindungen wie Formiat und Methanol und die weitere Aufwertung durch mikrobielle Prozesse, wäre für die biobasierte Kreislaufwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Allerdings können die allermeisten Mikroorganismen auf den genannten Ein-Kohlenstoffverbindungen- als Ausgangsstoff nicht wachsen und diejenigen, dies es können sind für industrielle Prozesse nicht geeignet.
S. cerevisiae gehört zu den industriell etablierten Mikroorganismen und leistet einen wichtigen Beitrag zur Bioprozessindustrie. Sie kann jedoch nicht auf Formiat als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle wachsen. Die biotechnologische Anpassung von S. cerevisiae für das Wachstum auf Formiat könnte daher nachhaltige Wege für die Produktion von Biomasse und wertschöpfenden Chemikalien ebnen. 
Der Reduktive Glycinweg (RGP), der als aerober Zwilling des anaeroben Reduktiven Acetyl-CoA-Wegs konzipiert wurde, ist ein effizienter Formiat- und CO2 Assimilationsweg. Der RGP besteht aus dem Glycin-Synthesemodul (Mis1p, Gcv1p, Gcv2p, Gcv3p und Lpd1p), dem Modul zur Umwandlung von Glycin in Serin (Shmtp), dem Pyruvat-Synthesemodul (Cha1p) und dem Energieversorgungsmodul (Fdh1p). Der RGP benötigt Formiat und erhöhte CO2 Verfügbarkeit, um das Glycin-Synthesemodul zu betreiben. In dieser Studie habe ich das RGP im Hefesystem mit wachstumsgekoppelten Selektionsstrategien etabliert, um ein von Formiat und CO2 abhängiges zelluläres Wachstum unter aeroben Bedingungen zu erreichen.  
Zunächst habe ich Serin-Biosensor-Stämme konstruiert, indem ich die nativen Serin- und Glycin-Biosynthesewege in den prototrophen Stämmen S288c und FL100 unterbrochen und den Serin-, Glycin- und Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel vom zentralen Stoffwechselnetz isoliert habe. Diese Stämme können nicht mit Glukose als alleinige Kohlenstoffquelle wachsen, sondern benötigen die Zufuhr von Serin oder Glycin, um die eingeführten Auxotrophien zu ergänzen. Unter Verwendung von zellulärem Wachstum als Indikator, habe ich diese Stämme als Selektionswirte verwendet, um den RGP zu etablieren. Zu diesem Zweck habe ich durch genomische Integration von Serin-Hydroxymethyltransferasen (SHMTs) in diese Biosensorstämme effiziente Module zur Umwandlung von Glycin in Serin geschaffen. Dann implementierte ich das Glycin-Modul des RGP in die Stämme für die Glycin- und Serinsynthese aus Formiat und CO2. Mit diesen Stämmen führte ich erfolgreich eine adaptive Laborevolution (ALE) durch, die einen Stamm hervorbrachte, der zur Glycin- und Serinbiosynthese aus Ameisensäure und CO2 fähig ist. Während der ALE wurden signifikante Wachstumsverbesserungen von 0,0041 h-1 auf 0,03695 h-1 beobachtet. Um die Glycin- und Serinsynthese zu bestätigen, führte ich Experimente zur Kohlenstoffverfolgung mit 13C-Formiat und 13CO2 durch, die bestätigten, dass mehr als 90% der Glycin- und Serinbiosynthese über den RGP erfolgt. Interessanterweise ergaben die Markierungsdaten auch 10-15% markiertes Alanin, was auf eine Pyruvatsynthese aus dem von Formiat abgeleiteten Serin durch die native Serindeaminase (Cha1p) hinweist. Somit trägt der RGP zu einem kleinen Pyruvat-Pool bei, ohne dass ein Selektionsdruck für die Pryuvat Synthese aus Formiat besteht. Diese Daten bestätigen somit die Aktivität aller drei Module von RGP auch in Gegenwart von Glukose. Weitere ALE unter glukoselimitierenden Bedingungen verbesserte den Pyruvatfluss aus dem RGP allerdings nicht.
Die Wachstumscharakterisierung der beschriebnen Stämme zeigte, dass die besten Wachstumsraten bei Formiatkonzentrationen zwischen 25 mM und 300 mM erzielt wurden. Für optimales Wachstum wurde 5% CO2 benötigt und die Wachstumsrate verschlechterte sich bei einer CO2 Konzentration von 2.5 %. 
Die Sequenzierung des gesamten Genoms dieser weiterentwickelten Stämme ergab Mutationen in Genen, die für Gdh1p, Pet9p und Idh1p kodieren. Diese Enzyme beeinflussen den intrazellulären NADPH-, ATP- und NADH-Spiegel, was auf den Energiebedarf für die Aktivität des RGP hinweist. Ich habe die GDH1-Mutation in nicht evolvierte Serin-Biosensor-Stämme eingebracht und damit das von Formiat und CO2 abhängige Wachstum reproduziert. Um die Auswirkung der GDH1-Mutation auf die Formationsassimilation zu klären, habe ich diese Mutation in den WT-Stamm eingeführt und ein Experiment zur Kohlenstoffverfolgung mit 13C-Formiat und Glukose durchgeführt. Es wurde nachgewiesen, dass die gdh1-Mutante im Vergleich zum WT-Stamm eine verbesserte Assimilation aufweist. 
Obwohl die 13C-Isotopenmarkierung die Aktivität aller drei Module der RGP bestätigte, könnte der Gesamtpyruvatfluss über den RGP durch die Versorgung mit Redox-Äuquivalenten begrenzt sein. In einem anderen Ansatz wurden daher die Formiatdehydrogenase (Fdh1p) für die Energieversorgung und die Serindesaminase (Cha1p) für die aktive Pyruvatsynthese überexprimiert und ein Wachstum mit Formiat und Serin ohne Glukose in der WT-Hefe festgestellt. Die weitere Entwicklung des gesamten Stoffwechsels in Kombination mit Evolutionsstrategien,und einer aus Formiat gewonnenen Serin- und Energiezufuhr für die Pyruvatsynthese ist unerlässlich, um ein vollständiges formatotrophes Wachstum im Hefesystem zu erreichen.
KW  - synthetic formatotrphy
KW  - green house gases
KW  - CHO-THF, CH-THF, CH2-THF, and CH3-THF
KW  - reductive glycine pathway
KW  - reductive acetyl-CoA pathway
KW  - glycine decarboxylase complex (=GCV)
KW  - glycine cleavage system
KW  - glycine synthase complex (reversal of GCV)
KW  - One-carbon
KW  - 10-Formyltetrahydrofolate
KW  - 5,10-Methenyltetrahydrofolate
KW  - 5,10-Methylenetetrahydrofolate
KW  - 5-Methyltetrahydrofolate
KW  - serine hydroxymethyltransferase
KW  - serine biosensor
KW  - adaptive laboratory evolution
KW  - next generation sequencing
KW  - Treibhausgase
KW  - Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen
KW  - reduktiver Glycinweg
KW  - reduktiver Acetyl-CoA-Weg
KW  - Glycin-Spaltsystem
KW  - Glycin-Decarboxylase-Komplex (=GCV)
KW  - Glycin-Synthase-Komplex (Umkehrung von GCV)
KW  - Ein Kohlenstoff
KW  - 10-Formyltetrahydrofolat
KW  - 5,10-Methenyltetrahydrofolat
KW  - 5-Methyltetrahydrofolat
KW  - CHO-THF, CH-THF, CH2-THF und CH3-THF
KW  - 3-Phosphoglycerinsäure
KW  - Serin-Hydroxymethyltransferase
KW  - Serin-Biosensor
KW  - Evolutionsrunde
KW  - adaptive Laborentwicklung
KW  - Sequenzierung der nächsten Generation
KW  - Codierungssequenz
KW  - autonom replizierende Sequenz
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582222
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dreymann, Nico
T1  - Identification and functional characterization of aptamers targeting human urokinase and NDM-1 for therapeutic and diagnostic applications
T1  - Identifizierung und funktionelle Charakterisierung von Aptameren gegen humane Urokinase und NDM-1 für therapeutische und diagnostische Anwendungen
N2  - Aptamers are single-stranded DNA (ssDNA) or RNA molecules that can bind specifically and with high affinity to target molecules due to their unique three-dimensional structure. For this reason, they are often compared to antibodies and sometimes even referred to as “chemical antibodies”. They are simple and inexpensive to synthesize, easy to modify, and smaller than conventional antibodies. Enzymes, especially hydrolases, are interesting targets in this context. This class of enzymes is capable of hydrolytically cleaving various macromolecules such as proteins, as well as smaller molecules such as antibiotics. Hence, they play an important role in many biological processes including diseases and their treatment. Hydrolase detection as well as the understanding of their function is therefore of great importance for diagnostics and therapy. Due to their various desirable features compared to antibodies, aptamers are being discussed as alternative agents for analytical and diagnostic use in various applications. The use of aptamers in therapy is also frequently investigated, as the binding of aptamers can have effects on the catalytic activity, protein-protein interactions, or proteolytic cascades. Aptamers are generated by an in vitro selection process. Potential aptamer candidates are selected from a pool of enriched nucleic acid sequences with affinity to the target, and their binding affinity and specificity is investigated. This is one of the most important steps in aptamer generation to obtain specific aptamers with high affinity for use in analytical and diagnostic applications. The binding properties or binding domains and their effects on enzyme functions form the basis for therapeutic applications. 
In this work, the binding properties of DNA aptamers against two different hydrolases were investigated. In view of their potential utility for analytical methods, aptamers against human urokinase (uPA) and New Delhi metallo-β-lactamase-1 (NDM-1) were evaluated for their binding affinity and specificity using different methods. Using the uPA aptamers, a protocol for measuring the binding kinetics of an aptamer-protein-interaction by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) was developed. Based on the increased expression of uPA in different types of cancer, uPA is discussed as a prognostic and diagnostic tumor marker. As uPA aptamers showed different binding sites on the protein, microtiter plate-based aptamer sandwich assay systems for the detection of uPA were developed. Because of the function of urokinase in cancer cell proliferation and metastasis, uPA is also discussed as a therapeutic target. In this regard, the different binding sites of aptamers showed different effects on uPA function. In vitro experiments demonstrated both inhibition of uPA binding to its receptor as well as the inhibition of uPA catalytic activity for different aptamers. Thus, in addition to their specificity and affinity for their targets, the utility of the aptamers for potential diagnostic and therapeutic applications was demonstrated. First, as an alternative inhibitor of human urokinase for therapeutic purposes, and second, as valuable recognition molecules for the detection of urokinase, as a prognostic and diagnostic marker for cancer, and for NDM-1 to detect resistance to carbapenem antibiotics.
N2  - Aptamere sind einzelsträngige DNA- oder RNA-Moleküle, die aufgrund ihrer charakteristischen dreidimensionalen Struktur spezifisch und mit hoher Affinität an Zielmoleküle binden. Häufig werden sie mit Antikörpern verglichen und als „chemische Antikörper“ bezeichnet. Sie sind einfach und kostengünstig zu synthetisieren, leicht zu modifizieren und kleiner als herkömmliche Antikörper. Enzyme, insbesondere Hydrolasen, sind hierbei unter anderem interessante Zielmoleküle. Diese Klasse von Enzymen ist in der Lage verschiedene Makromoleküle wie z.B. Proteine, aber auch kleinere Moleküle, wie z.B. Antibiotika, hydrolytisch zu spalten. Sie spielen in vielen biologischen Prozessen und somit auch in Erkrankungen und deren Behandlung eine wichtige Rolle. Daher ist ihre Detektion, sowie das Verständnis ihrer Funktion für die Diagnostik und Therapie von hoher Bedeutung. Durch ihre Vorteile gegenüber Antikörpern werden Aptamere als Alternativen für den analytischen und diagnostischen Einsatz in verschiedenen Applikationen diskutiert. Der Einsatz von Aptameren in der Therapie wird ebenfalls häufig untersucht, da die Bindung der Aptamere Auswirkungen auf die katalytische Aktivität, Protein-Protein-Interaktionen oder proteolytische Kaskaden haben kann. Aptamere werden mittels in vitro Selektion generiert. Aus einem Pool angereicherter Nukleinsäuren mit Affinität zum Zielmolekül werden anschließend potentielle Aptamerkandidaten identifiziert und ihre Bindung zum Zielmolekül untersucht. Dies ist einer der wichtigsten Schritte in der Aptamergenerierung, um spezifische Aptamere mit hoher Affinität für den späteren Einsatz in analytischen und diagnostischen Applikationen zu erhalten. Die Bindungseigenschaften einschließlich der Bindedomänen und deren Auswirkungen auf die Funktion des Zielmoleküls stellen die Grundlage für spätere therapeutische Anwendungen dar. 
In dieser Arbeit wurden die Bindungseigenschaften von DNA Aptameren gegen zwei verschiedene Hydrolasen untersucht. Für den potentiellen Nutzen in analytischen Methoden wurden Aptamere gegen die humane Urokinase (uPA), sowie gegen die New-Delhi metallo β-lactamase-1 (NDM-1) mittels molekularbiologischer Methoden auf deren Bindungsaffinität und Spezifität untersucht. Anhand der uPA-Aptamere wurde ein Protokoll für die Messung der Bindungskinetik einer Aptamer-Protein-Bindung mittels Oberflächenplasmonenresonanz Spektroskopie (SPR) entwickelt. Durch die erhöhte Expression von uPA in vielen Krebserkrankungen, wird dieser als prognostischer und diagnostischer Tumormarker diskutiert. Die in dieser Arbeit untersuchten Aptamere gegen die Urokinase zeigten unterschiedliche Bindestellen, wodurch Aptamer-basierte Sandwich Assay Systeme auf Mikrotiterplattenbasis für die Detektion von uPA etabliert werden konnten. Durch die Funktion der Urokinase in der Zellproliferation und Metastasierung in Krebserkrankungen wird uPA ebenfalls als therapeutisches Zielprotein diskutiert. Hierbei zeigten die unterschiedlichen Bindestellen der Aptamere verschiedene Auswirkungen auf die Funktion von uPA. Mittels in vitro Experimenten konnte die Inhibierung der Bindung von uPA zu ihrem Rezeptor, sowie die Inhibierung der katalytischen Aktivität von uPA mit Hilfe verschiedener Aptamere nachgewiesen werden. Somit wurde für die Aptamere, neben ihrer Spezifität und Affinität zu ihren Zielmolekülen, der Nutzen für potentielle diagnostische und therapeutische Anwendungen gezeigt. Zum einen als alternativer Inhibitor der Urokinase für therapeutische Zwecke, als auch als wertvolle Erkennungsmoleküle für den Nachweis von Urokinase, als prognostischer und diagnostischer Marker für Krebserkrankungen, sowie für NDM-1, zum Nachweis der Resistenz gegen Carbapenem-Antibiotika.
KW  - DNA-Aptamer
KW  - protein-aptamer interaction
KW  - Surface Plasmon Resonance (SPR)
KW  - Microscale Thermophoresis (MST)
KW  - aptamer-based sandwich assay
KW  - cancer biomarker
KW  - cancer therapy
KW  - cancer detection
KW  - Urokinase-type Plasminogen Activator (uPA)
KW  - antibiotic resistance
KW  - New Delhi metallo-β-lactamase 1 (NDM-1)
KW  - DNA-Aptamer
KW  - Microscale Thermophoresis (MST)
KW  - Neu-Delhi Metallo-Beta-Laktamase 1 (NDM-1)
KW  - Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR-Spektroskopie)
KW  - Urokinase-Typ Plasminogen Aktivator (uPA)
KW  - Antibiotikaresistenz
KW  - Sandwich-Assay auf Basis von Aptameren
KW  - Krebsbiomarker
KW  - Krebserkennung
KW  - Krebstherapie
KW  - Protein-Aptamer Interaktion
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612919
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TY  - THES
A1  - Carrasco, Tomas
T1  - Genome structure analysis and patterns of transposable elements evolution in the slow-evolving Testudines clade
N2  - Transposable elements (TEs) are loci that can replicate and multiply within the genome of their host. Within the host, TEs through transposition are responsible for variation on genomic architecture and gene regulation across all vertebrates. Genome assemblies have increased in numbers in recent years. However, to explore in deep the variations within different genomes, such as SNPs (single nucleotide polymorphism), INDELs (Insertion-deletion), satellites and transposable elements, we need high-quality genomes. Studies of molecular markers in the past 10 years have limitations to correlate with biological differences because molecular markers rely on the accuracy of the genomic resources. This has generated that a substantial part of the studies of TE in recent years have been on high quality genomic resources such as Drosophila, zebrafinch and maize. As testudine have a slow mutation rate lower only to crocodilians, with more than 300 species, adapted to different environments all across the globe, the testudine clade can help us to study variation. Here we propose Testudines as a clade to study variation and the abundance of TE on different species that diverged a long time ago. We investigated the genomic diversity of sea turtles, identifying key genomic regions associated to gene family duplication, specific expansion of particular TE families for Dermochelyidae and that are important for phenotypic differentiation, the impact of environmental changes on their populations, and the dynamics of TEs within different lineages.  In chapter 1, we identify that despite high levels of genome synteny within sea turtles, we identified that regions of reduced collinearity and microchromosomes showed higher concentrations of multicopy gene families, as well as genetic distances between species, indicating their potential importance as sources of variation underlying phenotypic differentiation. We found that differences in the ecological niches occupied by leatherback and green turtles have led to contrasting evolutionary paths for their olfactory receptor genes. We identified in leatherback turtles a long-term low population size. Nonetheless, we identify no correlation between the regions of reduced collinearity with abundance of TEs or an accumulation of a particular TE group. In chapter 2, we identified that sea turtle genomes contain a significant proportion of TEs, with differences in TE abundance between species, and the discovery of a recent expansion of Penelope-like elements (PLEs) in the highly conserved sea turtle genome provides new insights into the dynamics of TEs within Testudines. In chapter 3, we compared the proportion of TE across the Testudine clade, and we identified that the proportion of transposable elements within the clade is stable, regardless of the quality of the assemblies. However, we identified that the proportion of TEs orders has correlation with genome quality depending of their expanded abundancy. For retrotransposon, a highly abundant element for this clade, we identify no correlation. However, for DNA elements a rarer element on this clade, correlate with the quality of the assemblies. 
Here we confirm that high-quality genomes are fundamental for the study of transposable element evolution and the conservation within the clade. The detection and abundance of specific orders of TEs are influenced by the quality of the genomes.  We identified that a reduction in the population size on D. coriacea had left signals of long-term low population sizes on their genomes. On the same note we identified an expansion of TE on D. coriacea, not present in any other member of the available genomes of Testudines, strongly suggesting that it is a response of deregulation of TE on their genomes as consequences of the low population sizes.
Here we have identified important genomic regions and gene families for phenotypic differentiation and highlighted the impact of environmental changes on the populations of sea turtles. We stated that accurate classification and analysis of TE families are important and require high-quality genome assemblies. Using TE analysis we manage to identify differences in highly syntenic species. These findings have significant implications for conservation and provide a foundation for further research into genome evolution and gene function in turtles and other vertebrates. Overall, this study contributes to our understanding of evolutionary change and adaptation mechanisms.
N2  - Transponierbare Elemente (TEs) sind Loci, die sich im Genom ihres Wirts replizieren und vermehren können. Innerhalb des Wirts sind TEs durch Transposition für die Variation der genomischen Architektur und der Genregulation bei allen Wirbeltieren verantwortlich. In den letzten Jahren hat die Zahl der Genomassemblies zugenommen. Um jedoch die Variationen innerhalb verschiedener Genome, wie SNPs, INDELs, Satelliten und transponierbare Elemente, eingehend zu untersuchen, benötigen wir qualitativ hochwertige Genome. Studien über molekulare Marker in den letzten 10 Jahren haben nur begrenzt mit biologischen Unterschieden korreliert, da molekulare Marker von der Genauigkeit der genomischen Ressourcen abhängen. Dies hat dazu geführt, dass ein großer Teil der TE-Studien der letzten Jahre an qualitativ hochwertigen genomischen Ressourcen wie Drosophila, Zebrafinken und Mais durchgeführt wurde. Da die Testudinen eine langsame Mutationsrate haben, die nur bei Krokodilen niedriger ist, aber mehr als 300 Arten umfassen, die an verschiedene Umgebungen auf der ganzen Welt angepasst sind, kann uns diese Gruppe bei der Untersuchung der Variation helfen. Hier schlagen wir Testudinen als Klade vor, um die Variation und die Häufigkeit von TE bei verschiedenen Arten zu untersuchen, die sich vor langer Zeit auseinanderentwickelt haben. Wir untersuchten die genomische Vielfalt der Meeresschildkröten und identifizierten genomische Schlüsselregionen, die mit der Duplikation von Genfamilien, der spezifischen Ausbreitung bestimmter TE-Familien bei den Dermochelyidae verbunden und für die phänotypische Differenzierung wichtig sind, sowie die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf ihre Populationen und die Dynamik transponierbarer Elemente (TEs) innerhalb verschiedener Linien.
In Kapitel 1 stellen wir fest, dass trotz des hohen Maßes an Genomsyntenie innerhalb der Meeresschildkröten Regionen mit geringerer Kollinearität und Mikrochromosomen eine höhere Konzentration von Genfamilien mit mehreren Kopien sowie genetische Abstände zwischen den Arten aufweisen, was auf ihre potenzielle Bedeutung als Variationsquellen für die phänotypische Differenzierung hinweist. Wir fanden heraus, dass die Unterschiede in den ökologischen Nischen, die Lederschildkröten und Suppenschildkröten besetzen, zu gegensätzlichen evolutionären Pfaden für ihre Geruchsrezeptorgene geführt haben. Bei Lederschildkröten haben wir Anzeichen für langfristig niedrige Populationsgrößen festgestellt. Dennoch konnten wir keine Korrelation zwischen den Regionen mit reduzierter Kollinearität und der Häufigkeit von TEs oder einer Akkumulation einer bestimmten TE-Gruppe feststellen. In Kapitel 2 haben wir festgestellt, dass die Genome von Meeresschildkröten einen beträchtlichen Anteil an TEs enthalten, mit Unterschieden in der TE-Häufigkeit zwischen den Arten, und die Entdeckung einer kürzlichen Ausbreitung von Penelope-ähnlichen Elementen (PLEs) im hochkonservierten Genom von Meeresschildkröten bietet neue Einblicke in die Dynamik von TEs innerhalb der Testudinen. In Kapitel 3 haben wir den Anteil der TE innerhalb der Testudinenklade verglichen und festgestellt, dass der Anteil der transponierbaren Elemente innerhalb der Klade stabil ist, unabhängig von der Qualität der Assemblies. Allerdings haben wir festgestellt, dass der Anteil der TEs Bestellungen hat Korrelation mit Genom Qualität in Abhängigkeit von ihrer erweiterten Häufigkeit, wie auf Retrotransposon, ein sehr häufig Element für diese Klade, wir identifizieren keine Korrelation, aber, DNA-Elemente ein seltener Element auf dieser Klade, korrelieren mit der Qualität der Baugruppen.
Hier bestätigen wir, dass qualitativ hochwertige Genome für die Untersuchung der Entwicklung transponierbarer Elemente und der Erhaltung innerhalb der Gruppe von grundlegender Bedeutung sind. Der Nachweis und die Häufigkeit bestimmter Ordnungen von TEs werden durch die Qualität der Genome beeinflusst.  Wir haben festgestellt, dass eine Verringerung der Populationsgröße bei D. coriacea Signale für langfristig niedrige Populationsgrößen in ihren Genomen hinterlassen hat. Gleichzeitig haben wir bei D. coriacea eine Ausdehnung der TE festgestellt, die in keinem anderen Mitglied der verfügbaren Genome der Testudinen vorkommt, was stark darauf hindeutet, dass es sich um eine Reaktion auf die Deregulierung der TE auf ihren Genomen als Folge der geringen Populationsgrößen handelt.
Hier haben wir wichtige genomische Regionen und Genfamilien für die phänotypische Differenzierung identifiziert und die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die Populationen von Meeresschildkröten aufgezeigt. Wir haben festgestellt, dass eine genaue Klassifizierung und Analyse von TE-Familien wichtig ist und qualitativ hochwertige Genomassemblies erfordert. Mit Hilfe der TE-Analyse gelingt es uns, Unterschiede in hochsynthetischen Arten zu identifizieren. Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für den Artenschutz und bilden eine Grundlage für die weitere Erforschung der Genomevolution und der Genfunktionen bei Schildkröten und anderen Wirbeltieren. Insgesamt trägt diese Studie zu unserem Verständnis des evolutionären Wandels und der Anpassungsmechanismen bei.
KW  - transposable elements
KW  - Chelonia mydas
KW  - Dermochelys coriacea
KW  - evolutionary biology
KW  - Transponierbare Elemente
KW  - Chelonia mydas
KW  - Dermochelys coriacea
KW  - Evolutionsbiologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-606577
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TY  - THES
A1  - Göthel, Markus
T1  - Entwicklung eines Verfahrens zur Generierung von spezifischen monoklonalen Antikörpern gegen Mikroorganismen basierend auf in silico Epitopanalysen
T1  - A new workflow to generate monoclonal antibodies against microorganisms based on in silico epitope predictions
N2  - Monoklonale Antikörper (mAK) sind eines der wichtigsten Biomoleküle für die Umweltanalytik und die medizinische Diagnostik. Für die Detektion von Mikroorganismen bilden sie die Grundlage für ein schnelles und präzises Testverfahren. Bis heute gibt es, aufgrund des hohen zeitlichen und materiellen Aufwandes und der unspezifischen Immunisierungsstrategien, nur wenige mAK, die spezifisch Mikroorganismen erkennen. 
Zu diesem Zweck sollte ein anwendbares Verfahren für die Generierung von mAK gegen Mikroorganismen entwickelt werden, welches anhand von Escherichia coli O157:H7 und Legionella pneumophila validiert wurde. In dieser Dissertation konnten neue Oberflächenstrukturen auf den Mikroorganismen mittels vergleichender Genomanalysen und in silico Epitopanalysen identifiziert werden. Diese wurden in das Virushüllprotein VP1 integriert und für eine gezielte Immunisierungsstrategie verwendet. Für die Bestimmung antigenspezifischer antikörperproduzierender Hybridome wurde ein Immunfärbeprotokoll entwickelt und etabliert, um die Hybridome im Durchflusszytometer zu sortieren. 
In der vorliegenden Studie konnten für E. coli O157:H7 insgesamt 53 potenzielle Proteinkandidaten und für L. pneumophila 38 Proteine mithilfe der bioinformatischen Analyse identifiziert werden. Fünf verschiedene potenzielle Epitope wurden für E. coli O157:H7 und drei verschiedenen für L. pneumophila ausgewählt und für die Immunisierung mit chimären VP1 verwendet. Alle Immunseren zeigten eine antigenspezifische Immunantwort. Aus den nachfolgend generierten Hybridomzellen konnten mehrere Antikörperkandidaten gewonnen werden, welche in Charakterisierungsstudien eine starke Bindung zu E. coli O157:H7 bzw. L. pneumophila vorwiesen. Kreuzreaktivitäten zu anderen relevanten Mikroorganismen konnten keine bzw. nur in geringem Maße festgestellt werden. 
Folglich konnte der hier beschriebene interdisziplinäre Ansatz zur Generierung spezifischer mAK gegen Mikroorganismen nachweislich spezifische mAK hervorbringen und ist als hocheffizienter Arbeitsablauf für die Herstellung von Antikörpern gegen Mikroorganismen einsetzbar.
N2  - Monoclonal antibodies (mAbs) are one of the most important biomolecules for environmental analysis and medical diagnostics. For the detection of microorganisms, they form the basis for a rapid and precise test procedure. Until today, due to the substantial time and material effort and the non-specific immunization strategies, there are only a few mAbs that specifically detect microorganisms. 
Therefore, an easy-to-use methodology for the generation of mAbs against microorganisms was developed and validated using Legionella pneumophila and Escherichia coli O157:H7. In this dissertation, several new surface structures on the microorganisms were identified using comparative genomic analyses and in silico epitope modeling. These were integrated into the VP1 viral envelope protein and used for a specific immunization strategy. For the identification of antigen-specific antibody-producing hybridomas, an immunostaining protocol was developed and established to sort the hybridomas. 
In the present study, 53 potential protein candidates were identified for E. coli O157:H7 and 38 proteins for L. pneumophila using bioinformatic analysis methods. Five different peptide epitopes were selected for E. coli O157:H7 and three different peptide epitopes for L. pneumophila for immunization using chimeric VP1. All immune sera showed an antigen-specific immune response. Several antibody candidates were obtained from the generated hybridoma cells, which showed strong binding to E. coli O157:H7 and L. pneumophila. Cross-reactivity to other relevant microorganisms could not be detected or could only be observed to a minor extent. 
Consequently, the interdisciplinary approach to generate specific mAbs against microorganisms has been shown to generate specific mAbs and is applicable as a highly efficient workflow for the generation of antibodies against microorganisms.
KW  - Antikörper
KW  - antibody
KW  - Epitopvorhersage
KW  - epitop prediction
KW  - Escherichia coli
KW  - legionella pneumophila
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-588017
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Marggraf, Lara Christin
A1  - Lindecke, Oliver
A1  - Voigt, Christian C.
A1  - Pētersons, Gunārs
A1  - Voigt-Heucke, Silke Luise
T1  - Nathusius’ bats, Pipistrellus nathusii, bypass mating opportunities of their own species, but respond to foraging heterospecifics on migratory transit flights
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - In late summer, migratory bats of the temperate zone face the challenge of accomplishing two energy-demanding tasks almost at the same time: migration and mating. Both require information and involve search efforts, such as localizing prey or finding potential mates. In non-migrating bat species, playback studies showed that listening to vocalizations of other bats, both con-and heterospecifics, may help a recipient bat to find foraging patches and mating sites. However, we are still unaware of the degree to which migrating bats depend on con-or heterospecific vocalizations for identifying potential feeding or mating opportunities during nightly transit flights. Here, we investigated the vocal responses of Nathusius’ pipistrelle bats, Pipistrellus nathusii, to simulated feeding and courtship aggregations at a coastal migration corridor. We presented migrating bats either feeding buzzes or courtship calls of their own or a heterospecific migratory species, the common noctule, Nyctalus noctula. We expected that during migratory transit flights, simulated feeding opportunities would be particularly attractive to bats, as well as simulated mating opportunities which may indicate suitable roosts for a stopover. However, we found that when compared to the natural silence of both pre-and post-playback phases, bats called indifferently during the playback of conspecific feeding sounds, whereas P. nathusii echolocation call activity increased during simulated feeding of N. noctula. In contrast, the call activity of P. nathusii decreased during the playback of conspecific courtship calls, while no response could be detected when heterospecific call types were broadcasted. Our results suggest that while on migratory transits, P. nathusii circumnavigate conspecific mating aggregations, possibly to save time or to reduce the risks associated with social interactions where aggression due to territoriality might be expected. This avoidance behavior could be a result of optimization strategies by P. nathusii when performing long-distance migratory flights, and it could also explain the lack of a response to simulated conspecific feeding. However, the observed increase of activity in response to simulated feeding of N. noctula, suggests that P. nathusii individuals may be eavesdropping on other aerial hawking insectivorous species during migration, especially if these occupy a slightly different foraging niche.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1306 
KW  - playback
KW  - phonotaxis
KW  - bats
KW  - acoustic communication
KW  - animal migration
KW  - eavesdropping
KW  - echolocation
KW  - Pipistrellus nathusii
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-579574
SN  - 1866-8372
IS  - 1306
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Ogunkola, Moses Olalekan
A1  - Guiraudie-Capraz, Gaelle
A1  - Féron, François
A1  - Leimkühler, Silke
T1  - The Human Mercaptopyruvate Sulfurtransferase TUM1 Is Involved in Moco Biosynthesis, Cytosolic tRNA Thiolation and Cellular Bioenergetics in Human Embryonic Kidney Cells
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Sulfur is an important element that is incorporated into many biomolecules in humans. The incorporation and transfer of sulfur into biomolecules is, however, facilitated by a series of different sulfurtransferases. Among these sulfurtransferases is the human mercaptopyruvate sulfurtransferase (MPST) also designated as tRNA thiouridine modification protein (TUM1). The role of the human TUM1 protein has been suggested in a wide range of physiological processes in the cell among which are but not limited to involvement in Molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis, cytosolic tRNA thiolation and generation of H2S as signaling molecule both in mitochondria and the cytosol. Previous interaction studies showed that TUM1 interacts with the L-cysteine desulfurase NFS1 and the Molybdenum cofactor biosynthesis protein 3 (MOCS3). Here, we show the roles of TUM1 in human cells using CRISPR/Cas9 genetically modified Human Embryonic Kidney cells. Here, we show that TUM1 is involved in the sulfur transfer for Molybdenum cofactor synthesis and tRNA thiomodification by spectrophotometric measurement of the activity of sulfite oxidase and liquid chromatography quantification of the level of sulfur-modified tRNA. Further, we show that TUM1 has a role in hydrogen sulfide production and cellular bioenergetics.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1307 
KW  - Moco biosynthesis
KW  - sulfite oxidase
KW  - cytosolic tRNA thiolation
KW  - 5-methoxycarbonylmethyl-2-thiouridine
KW  - H2S biosynthesis
KW  - cellular bioenergetics
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-579580
SN  - 1866-8372
IS  - 1307
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jiang, Li
T1  - Analysis of the role of Heat shock factors and  Mediator subunits in heat stress memory in  Arabidopsis thaliana
N2  - In nature, plants often encounter biotic and abiotic stresses, which can cause reduced crop yield and quality, and threaten the nutrition of a growing human population. As heat stress (HS) is one of the main abiotic stresses, and is projected to increase due to global warming, it is necessary to better understand how plants respond and survive under HS. In Arabidopsis thaliana, plants can survive under severe HS if primed by a non-lethal HS, a process called acquisition of thermotolerance. This primed stated can be maintained for several days, and the ability of plants to maintain the primed state is called maintenance of acquired thermotolerance (mATT) or HS memory. According to current research, two Heat shock factors (HSFs) HSFA2 and HSFA3 are known to account for the majority of mATT capability, and there are other HSFs e.g. HSFA1b and HSFA6b in HSF complexes containing HSFA2 and/or HSFA3, however, the roles of these HSFs in HS memory is not clearly understood. Moreover, the mechanism of these HSFs in regulating HS memory is unclear, whether transcriptional machinery e.g. the Mediator complex contributes to transcriptional memory. This work investigates the role of HSFs and Mediator subunits in HS memory in A. thaliana. For the role of HSFs, the interaction between HSFA1b and HSFA2 during HS memory phase was confirmed by in vivo co- immunoprecipitation (Co-IP). HSFA1b, HSFA2, HSFA3 and HSFA6b targeted HS memory-related genes according to DNA affinity purification sequencing (DAP-seq) data, and targets of HSFA1b were confirmed in vivo by chromatin immunoprecipitation qPCR (ChIP-qPCR). The mutant of hsfa6b showed an HS memory deficiency phenotype in mATT survival assay. These data confirmed the role for HSFA2 and HSFA3 in HS memory, and suggest that HSFA1b and HSFA6b also function in HS memory. The Mediator complex functions as an RNA Polymerase II (RNA Pol II) co-regulator, and includes Head, Middle, Tail and Kinase modules. Both MED23 and MED32 belong to the Tail module, and they have a positive role in HS memory. MED23 interacted with HSFA3, as determined by yeast two hybrid (Y2H) and in vivo Co-IP assays. The med23 mutant showed a decreased HS memory phenotype, reduced expression of Type I (sustained expression) memory genes following HS, and reduced accumulation of the memory-associated Tri-methylation of histone H3 lysine 4 (H3K4me3)histone modification at HS memory-related gene loci after HS. MED23 was recruited to HS-inducible memory and non-memory genes after HS, as determined by ChIP-qPCR. The med32
mutant showed a reduced HS memory phenotype, decreased expression of Type I and Type II (hyper-induction) memory genes, and lower accumulation of H3K4me3 at memory gene lociafter HS. However, MED32 did not show interaction with any tested HSF in Y2H or in vivo Co-IP. MED32 regulated the recruitment of RNA Pol II at HS-inducible genes after HS, but was not itself recruited to HS memory genes after HS. These results provided more evidence 
that the Mediator subunits MED23 and MED32 regulate HS memory on transcriptional and epigenetic levels. In general, this work provides a better insight into the molecular mechanism of how HSFs and Mediator subunits regulate HS memory in plants and will provide new perspectives to breed crops with improved thermotolerance.
N2  - In der Natur sind Pflanzen häufig mit biotischen und abiotischen Stressfaktoren konfrontiert, die zu Ertrags- und Qualitätsmängeln führen können und die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung gefährden. Da Hitzestress (HS) einer der wichtigsten abiotischen Stressfaktoren ist und aufgrund der globalen Erwärmung voraussichtlich noch zunehmen wird, steigt die Notwendigkeit zu verstehen wie Pflanzen auf HS reagieren und überleben. Arabidopsis thaliana können unter schwerem Hitzestress überleben, wenn sie durch einen nicht-tödlichen Hitzestress vorbereitet werden, diesen Prozess bezeichnet man als Erwerb von Thermotoleranz. Die Fähigkeit der Pflanzen, diesen Zustand aufrechtzuerhalten, wird als Aufrechterhaltung der erworbenen Thermotoleranz (mATT) oder HS-Gedächtnis bezeichnet. Nach dem derzeitigen Stand der Forschung sind zwei Hitzeschockfaktoren (HSFs), HSFA2 und HSFA3, für den Großteil der mATT-Fähigkeit verantwortlich. Außerdem gibt es weitere HSFs z.B. HSFA1b und HSFA6b, die ebenfalls im HSF-Komplex neben HSFA2 und/oder HSFA3 enthalten sind. Jedoch ist ihre Rolle im HS-Gedächtnis noch nicht eindeutig geklärt. Darüber hinaus ist der Mechanismus dieser HSFs bei der Regulierung des HS-Gedächtnisses unklar, ob z. B. die Transkriptionsmaschinerie, unter anderem der Mediator-Komplex, zum Transkriptionsgedächtnis beiträgt. In dieser Arbeit wird die Rolle der HSFs und der Mediator-Untereinheiten beim HS-Gedächtnis in A. thaliana untersucht. Bezüglich der Rolle der HSFs, wurde die Interaktion zwischen HSFA1b und HSFA2, während der HS-Gedächtnisphase, durch in vivo Co-Immunopräzipitation (Co-IP) bestätigt. HSFA1b, HSFA2, HSFA3 und HSFA6b binden, laut DNA-Affinitätsreinigungs-Sequenzierung (DAP-seq), zielgerichtet an HS-Gedächtnis-verwandte Gene. Die Ziele von HSFA1b wurden in vivo durch Chromatin-Immunpräzipitation qPCR (ChIP-qPCR) bestätigt. Die hsfa6b-Mutante zeigte im mATT-Überlebenstest einen Phänotypen für HS-Gedächtnisdefizit. Diese Daten bestätigten die Rolle von HSFA2 und HSFA3 im HS-Gedächtnis und legen nahe, dass HSFA1b und HSFA6b ebenfalls eine Funktion im HS-Gedächtnis haben. Der Mediator-Komplex fungiert als Co-Regulator der RNA-Polymerase II (RNA Pol II) und umfasst die Module Head, Middle, Tail und Kinase. Sowohl MED23 als auch MED32 gehören zum Tail-Modul und spielen eine positive Rolle im HS-Gedächtnis. MED23 interagiert mit HSFA3, wie durch Hefe-Zwei-Hybrid- (Y2H) und In-vivo-Co-IP-Assays festgestellt wurde. Die med23-Mutante zeigte einen verminderten HS-Gedächtnisphänotyp, eine verringerte Expression von Gedächtnisgenen des Typ I (anhaltende Expression) nach HS und eine verringerte Akkumulation der gedächtnisassoziierten Histonmodifikation Tri-Methylierung von Histon H3 Lysin 4 (H3K4me3) an HS-Gedächtnis-bezogenen Genorten nach HS. MED23 wurde nach HS an HS-induzierbaren Gedächtnis- und Nicht-Gedächtnis-Genen rekrutiert, wie durch ChIP-qPCR festgestellt wurde. Die med32-Mutante zeigte einen reduzierten HS-Gedächtnisphänotyp, eine verringerte Expression von Typ-I- und Typ-II-Gedächtnisgenen (Hyperinduktion) und eine geringere Anhäufung von H3K4me3 an Gedächtnisgenloci nach HS. MED32 zeigte jedoch keine Interaktion mit einem der getesteten HSFs in Y2H oder in vivo Co-IP. MED32 regulierte die Rekrutierung von RNA Pol II an HS-induzierbaren Genen nach HS, wurde aber selbst nicht an HS-Gedächtnisgenen nach HS rekrutiert. Diese Ergebnisse liefern weitere Beweise dafür, dass die Mediator-Untereinheiten MED23 und MED32 das HS-Gedächtnis auf transkriptioneller und epigenetischer Ebene regulieren. Im Allgemeinen bietet diese Arbeit einen besseren Einblick in den molekularen Mechanismus, wie HSFs und Mediator-Untereinheiten das HS-Gedächtnis in Pflanzen regulieren und wird neue Perspektiven für die Züchtung von Pflanzen mit verbesserter Thermotoleranz eröffnen.
KW  - Heat stress memory, Heat shock factors, Mediator subunits, MED23, MED32, Arabidopsis thaliana
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pankaj, Rishabh
T1  - Epigenetic reprogramming of seed development
BT  - exploring the role of histone demethylases and DNA methylation in arabidopsis
N2  - The development of seeds in angiosperms starts with a complex process of double fertilization, involving the fusion of the maternal egg cell and central cell with two paternal sperm cells. This gives rise to the embryo and the nourishing endosperm, which are then enclosed by the seed coat, derived from the maternal integuments. The growth of the seed coat in Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) is actively inhibited before fertilization by epigenetic regulators known as Polycomb Group (PcG) proteins. These proteins deposit a repressive histone mark called H3K27me3, which must be removed to enable seed coat formation. In this thesis, I explored the mechanism of removal of H3K27me3 marks from the integument cells following fertilization, which allows for seed coat formation. We hypothesized that this removal should be primarily facilitated by histone demethylases from the JMJ family and potentially influenced by the plant hormones Brassinosteroids (BRs). This hypothesis was supported by the expression patterns of the JMJ protein REF6 and of BR related genes, which are specifically expressed in the integuments and in the seed coat. Moreover, mutations in both these pathways lead to developmental defects, such as reduced ovule viability and delayed seed coat growth. Our research provides evidence suggesting that BR signalling is likely involved in recruiting JMJ-type histone demethylases to target loci responsible for seed coat growth. Moreover, we have discovered an additional pathway through which BRs regulate seed coat development, independent of their influence on H3K27me3 marks. This finding emphasizes the diverse roles of BRs in coordinating seed development, extending beyond their well-known involvement in plant growth and development. Furthermore, I explored the role of another epigenetic mark, DNA methylation, in fertilization-independent (or autonomous) seed formation in Arabidopsis. For this, we utilized epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) and thus identified an epigenetic Quantitative Trait Locus (epiQTL) on chromosome II, potentially responsible for the larger autonomous seed size observed in DNA methylation mutants. Overall, this thesis significantly enhances our comprehension of the intricate relationship between epigenetic modifications, hormonal signaling, and plant reproductive processes. It offers valuable insights into the genetic mechanisms governing both sexual and asexual seed formation, while also presenting potential avenues for the engineer of advantageous traits in agricultural crops.
KW  - Epigenetics
KW  - Seed development
KW  - Seed Coat Development
KW  - H3K27me3 Methylation
KW  - Auxin
KW  - Brassinosteriods
KW  - DNA Methylation
KW  - JUMONJI
KW  - Histone Modification
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ogunkola, Moses
T1  - Role of the tRNA thiouridine modification protein (TUM1) as a sulfurtransferase in humans
T1  - Die Rolle des tRNA-Thiouridin-Modifikationsproteins (TUM1) als Sulfurtransferase beim Menschen
N2  - Sulfur is essential for the functionality of some important biomolecules in humans. Biomolecules like the Iron-sulfur clusters, tRNAs, Molybdenum cofactor, and some vitamins. The trafficking of sulfur involves proteins collectively called sulfurtransferase. Among these are TUM1, MOCS3,  and NFS1.
This research investigated the role of TUM1 for molybdenum cofactor biosynthesis and cytosolic tRNA thiolation in humans. The rhodanese-like protein MOCS3 and the L-cysteine desulfurase (NFS1) have been previously demonstrated to interact with TUM1. These interactions suggested a dual function of TUM1 in sulfur transfer for Moco biosynthesis and cytosolic tRNA thiolation. TUM1 deficiency has been implicated to be responsible for a rare inheritable disorder known as mercaptolactate cysteine disulfiduria (MCDU), which is associated with a mental disorder. This mental disorder is similar to the symptoms of sulfite oxidase deficiency which is characterised by neurological disorders. Therefore, the role of TUM1 as a sulfurtransferase in humans was investigated, in CRISPR/Cas9 generated TUM1 knockout HEK 293T cell lines.
For the first time, TUM1 was implicated in Moco biosynthesis in humans by quantifying the intermediate product cPMP and Moco using HPLC. Comparing the TUM1 knockout cell lines to the wild-type, accumulation and reduction of cPMP and Moco were observed respectively. The effect of TUM1 knockout on the activity of a Moco-dependent enzyme, Sulfite oxidase, was also investigated. Sulfite oxidase is essential for the detoxification of sulfite to sulfate. Sulfite oxidase activity and protein abundance were reduced due to less availability of Moco. This shows that TUM1 is essential for efficient sulfur transfer for Moco biosynthesis. Reduction in cystathionin -lyase in TUM1 knockout cells was quantified, a possible coping mechanism of the cell against sulfite production through cysteine catabolism.
Secondly, the involvement of TUM1 in tRNA thio-modification at the wobble Uridine-34 was reported by quantifying the amount of mcm5s2U and mcm5U via HPLC. The reduction and accumulation of mcm5s2U and mcm5U in TUM1 knockout cells were observed in the nucleoside analysis. Herein, exogenous treatment with NaHS, a hydrogen sulfide donor, rescued the Moco biosynthesis, cytosolic tRNA thiolation, and cell proliferation deficits in TUM1 knockout cells.
Further, TUM1 was shown to impact mitochondria bioenergetics through the measurement of the oxygen consumption rate and extracellular acidification rate (ECAR) via the seahorse cell Mito stress analyzer. Reduction in total ATP production was also measured. This reveals how important TUM1 is for H2S biosynthesis in the mitochondria of HEK 293T.
Finally, the inhibition of NFS1 in HEK 293T and purified NFS1 protein by 2-methylene 3-quinuclidinone was demonstrated via spectrophotometric and radioactivity quantification. Inhibition of NFS1 by MQ further affected the iron-sulfur cluster-dependent enzyme aconitase activity.
N2  - Schwefel ist für die Funktionalität einiger wichtiger Biomoleküle beim Menschen wie die Eisen-Schwefel-Cluster, tRNA, Molybdän-Cofaktoren und einige Vitamine unerlässlich. Am Schwefelverkehr ist eine weit verbreitete Gruppe von Proteinen beteiligt, die als Rhodanese (Sulfurtransferase) bezeichnet wird. Zu dieser Klasse von Enzymen gehören die humanen (Proteine) TUM1, MOCS3 und NFS1.
Es hat sich gezeigt, dass TUM1 mit der L-Cystein-Desulfurase (NFS1) und dem rhodaneseähnlichen Protein MOCS3 interagiert. Diese Wechselwirkungen deuten auf eine Doppelfunktion von TUM1 beim Schwefeltransfer für die Moco-Biosynthese und die zytosolische tRNA-Thiolierung hin. Ein TUM1-Mangel wird für eine seltene vererbbare Störung verantwortlich gemacht, die als Mercaptolactat-Cystein-Disulfidurie (MCDU) bekannt ist und mit geistigen Störungen einhergeht. Diese psychische Störung könnte auf die Symptome des Sulfit-Oxidase-Mangels zurückzuführen sein, der auch durch neurologische Störungen gekennzeichnet ist. In dieser Studie wurde zum ersten Mal die Rolle von TUM1 bei der Biosynthese von Molybdän-Cofaktoren und der zytosolischen tRNA-Thiolierung beim Menschen untersucht. Dies wurde durch die Verwendung von einer zuvor generierten TUM1-Deletion in HEK 293T-Zelllinien unter Verwendung von CRISPR/Cas9 erreicht. 
Hier wurde zum ersten Mal die Funktion von TUM1 in der Moco-Biosynthese im Menschen untersucht, wobei das Zwischenprodukt cPMP und Moco mittels HPLC quantifiziert wurde. Beim Vergleich der TUM1-deletierten-Zelllinien mit dem Wildtyp wurde eine Akkumulation bzw. Reduktion von cPMP und Moco beobachtet. Die Auswirkungen der TUM1-Deletion auf die Aktivität eines Moco-abhängigen Enzyms, der Sulfit-Oxidase, wurden ebenfalls untersucht. Sulfit ist wichtig für die Entgiftung von Sulfit zu Sulfat. Die Aktivität der Sulfit-Oxidase und die Proteinquantität waren aufgrund der geringeren Verfügbarkeit von Moco reduziert. Dies zeigt, dass TUM1 für einen effizienten Schwefeltransfer für die Moco-Biosynthese wichtig ist. Wir berichteten auch über die Verringerung der Cystathionin -Lyase in TUM1-deletierten-Zellen, ein möglicher Bewältigungsmechanismus der Zelle gegen die Sulfitproduktion. 
Zweitens wurde die Beteiligung von TUM1 an der tRNA-ThioModifikation am Wobble Uridin-34 durch Quantifizierung der Menge an mcm5s2U und mcm5U mittels HPLC untersucht. Es wurde eine Reduktion bzw. Akkumulation von mcm5s2U und mcm5U in TUM1-Knockout-Zellen beobachtet. Die exogene Behandlung mit NaHS, einem Schwefelwasserstoff-Donor, rettete die Moco-Biosynthese, die zytosolische tRNA-Thiolation und das Defizit der Zellproliferation in TUM1-deletion-Zellen.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass TUM1 die Bioenergetik der Mitochondrien beeinflusst, indem die Sauerstoffverbrauchsrate und die extrazelluläre Versauerungsrate (ECAR) über den Seahorse XF Analyzer gemessen wurden. Eine Verringerung der gesamten ATP-Produktion war ebenfalls erkennbar. Dies zeigt, wie wichtig TUM1 für die H2S-Biosynthese in den Mitochondrien von HEK 293T ist.
Schließlich wurde die Hemmung von NFS1 in HEK 293T und gereinigtem NFS1-Protein durch 2-Methylen-3-chinuclidinon mittels spektrophotometrischer und radioaktiver Quantifizierung nachgewiesen. Die Hemmung von NFS1 durch 2-Methylen-3-chinuclidinon verringerte die Aktivität des von Eisen-Schwefel-Clustern abhängigen Enzyms Aconitase in HEK 293T.
KW  - Moco biosynthesis
KW  - sulfite oxidase
KW  - cytosolic tRNA thiolation
KW  - 5-methoxycarbonylmethyl-2-thiouridine
KW  - H2S biosynthesis
KW  - cellular bioenergetics
KW  - Moco-Biosynthese
KW  - Sulfit-Oxidase
KW  - zytosolische tRNA-Thiolierung
KW  - 5-Methoxycarbonylmethyl-2-Thiouridin
KW  - H2S-Biosynthese
KW  - zelluläre Bioenergetik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611357
ER  - 
TY  - THES
A1  - Li, Xiaoping
T1  - Regulation of starch granule  number and morphology in arabidopsis thaliana
Y1  - 2023
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  - Agarwal, Pallavi
T1  - Functional characterization of ROS-responsive genes, ANAC085 and ATR7, in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rasul, Fiaz
T1  - Biostimulant  SuperFifty based molecular priming to increase plant strength and stress tolerance
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mariette, Alban
T1  - Building a wall: Developing small molecule biosensors to visualize cell wall biosynthesis and untangling mechanismus underlying nucleotide sugar transport
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kiemel, Katrin
T1  - Zooplankton adaptations and community dynamics in space and time
N2  - In times of ongoing biodiversity loss, understanding how communities are structured and what mechanisms and local adaptations underlie the patterns we observe in nature is crucial for predicting how future ecological and anthropogenic changes might affect local and regional biodiversity. Aquatic zooplankton are a group of primary consumers that represent a critical link in the food chain, providing nutrients for the entire food web. Thus, understanding the adaptability and structure of zooplankton communities is essential. In this work, the genetic basis for the different temperature adaptations of two seasonally shifted (i.e., temperature-dependent) occurring freshwater rotifers of a formerly cryptic species complex (Brachionus calyciflorus) was investigated to understand the overall genetic diversity and evolutionary scenario for putative adaptations to different temperature regimes. Furthermore, this work aimed to clarify to what extent the different temperature adaptations may represent a niche partitioning process thus enabling co-existence. The findings were then embedded in a metacommunity context to understand how zooplankton communities assemble in a kettle hole metacommunity located in the northeastern German "Uckermark" and which underlying processes contribute to the biodiversity patterns we observe. Using a combined approach of newly generated mitochondrial resources (genomes/cds) and the analysis of a candidate gene (Heat Shock Protein 40kDa) for temperature adaptation, I showed that the global representatives of B. calyciflorus s.s.. are genetically more similar than B. fernandoi (average pairwise nucleotide diversity: 0.079 intraspecific vs. 0.257 interspecific) indicating that both species carry different standing genetic variation. In addition to differential expression in the thermotolerant B. calyciflorus s.s. and thermosensitive B. fernandoi, the HSP 40kDa also showed structural variation with eleven fixed and six positively selected sites, some of which are located in functional areas of the protein. The estimated divergence time of ~ 25-29 Myr combined with the fixed sites and a prevalence of ancestral amino acids in B. calyciflorus s.s. indicate that B. calyciflorus s.s. remained in the ancestral niche, while B. fernandoi partitioned into a new niche. The comparison of mitochondrial and nuclear markers (HPS 40kDa, ITS1, COI) revealed a hybridisation event between the two species. However, as hybridisation between the two species is rare, it can be concluded that the temporally isolated niches (i.e., seasonal-shifted occurrence) they inhabit based on their different temperature preferences most likely represent a pre-zygotic isolation mechanism that allows sympatric occurrence while maintaining species boundaries. To determine the processes underlying zooplankton community assembly, a zooplankton metacommunity comprising 24 kettle holes was sampled over a two-year period. Active (i.e., water samples) and dormant communities (i.e., dormant eggs hatched from sediment) were identified using a two-fragment DNA metabarcoding approach (COI and 18S). Species richness and diversity as well as community composition were analysed considering spatial, temporal and environmental parameters. The analysis revealed that environmental filtering based on parameters such as pH, size and location of the habitat patch (i.e., kettle hole) and surrounding field crops largely determined zooplankton community composition (explained variance: Bray-Curtis dissimilarities: 10.5%; Jaccard dissimilarities: 12.9%), indicating that adaptation to a particular habitat is a key feature of zooplankton species in this system. While the spatial configuration of the kettle holes played a minor role (explained variance: Bray-Curtis dissimilarities: 2.8% and Jaccard dissimilarities: 5.5%), the individual kettle hole sites had a significant influence on the community composition. This suggests monopolisation/priority effects (i.e., dormant communities) of certain species in individual kettle holes. As environmental filtering is the dominating process structuring zooplankton communities, this system could be significantly influenced by future land-use change, pollution and climate change.
N2  - In Zeiten des fortschreitenden Verlusts biologischer Vielfalt ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie natürliche Gemeinschaften strukturiert sind und welche Mechanismen und lokalen Anpassungen den beobachteten Biodiversitätsmustern zugrunde liegen, um eine wissenschaftliche Grundlage für die Vorhersage künftiger Veränderungen der lokalen und regionalen biologische Vielfalt zu schaffen. Aquatisches Zooplankton ist eine artenreiche Gruppe Primärkonsumenten, die ein entscheidendes Glied in der Nahrungskette darstellen, indem sie Nährstoffe für das gesamte Nahrungsnetz bereitstellen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Anpassungsfähigkeit und Struktur von Zooplanktongemeinschaften zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die genetischen Grundlagen für die unterschiedliche Temperaturanpassung zweier saisonal-versetzt (d.h. temperaturabhängig) vorkommender limnischen Rädertierarten eines ehemals kryptischen Artenkomplexes (Brachionus calyciflorus) untersucht, um die genetische Variation und das evolutionäre Divergenz-Szenario sowie Grundlagen für die mutmaßliche Anpassungen an unterschiedliche Temperaturregime zu verstehen. Weiterhin sollte untersucht werden, ob die Temperaturanpassungen als Prozess der Nischenaufteilung verstanden werden können die die Koexistenz der Arten ermöglicht. Diese Ergebnisse wurden dann in einen Metagemeinschaftskontext eingebettet, um zu verstehen, wie sich Zooplanktongemeinschaften in einer Soll-Metagemeinschaft, welche sich in der nordostdeutschen Region "Uckermark" befindet, zusammensetzen und welche zugrundeliegenden Prozesse zu den beobachteten Biodiversitätsmustern führen. Eine Kombination aus neu generierten mitochondrialen Ressourcen (Genome/codierende Sequenzen) und der Analyse eines Kandidatengens (HSP 40kDa Gen) für die Temperaturanpassung ergab zum einen, dass die globalen Vertreter von B. calyciflorus s.s. einander genetisch ähnlicher sind als B. fernandoi (Nukleotiddiversität: 0,079 intraspezifisch vs. 0,257 interspezifisch) und beide Arten somit eine unterschiedliche genetische Variation besitzen. Zum anderen wird das HSP 40kDa wird nicht nur in dem wärmetoleranten B. calyciflorus s.s. und wärmeempfindlichen B. fernandoi unterschiedlich exprimiert, sondern weist auch strukturelle Variationen mit elf fixierten und sechs positiv selektierten Positionen auf, von denen einige in funktionellen Regionen des HSP 40kDa liegen. Die geschätzte Divergenzzeit von ca. 25-29 Millionen Jahren sowie die fixierten Positionen und die Dominanz anzestraler Aminosäuren in B. calyciflorus s.s. legen nahe, dass B. calyciflorus s.s. in der anzestralen Nische verblieb, während B. fernandoi eine neue Nische besetzte. Der Vergleich von mitochondrialen und nukleären Markern (HSP 40kDa, ITS1, COI) ergab ein Hybridisierungsereignis zwischen beiden Arten. Da Hybridisierung jedoch selten ist, können die zeitlich isolierten Nischen (d.h. saisonal-versetztes Auftreten), die sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturpräferenzen bewohnen, als prä-zygotischer Isolationsmechanismus verstanden werden, der ein sympatrisches Vorkommen der Arten unter Aufrechterhaltung der Artgrenzen ermöglicht. Um die Prozesse zu bestimmen, die der Strukturierung von Zooplanktongemeinschaften zugrunde liegen, wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren eine Zooplankton-Metagemeinschaft, bestehend aus 24 Söllen beprobt. Aktive (d.h. Wasserproben) und ruhende Gemeinschaften (d.h. aus dem Sediment geschlüpfte Gemeinschaften) wurden mit einem Zwei-Fragment-DNA-Metabarcoding-Ansatz (COI und 18S) bestimmt. Die Artenzahl und Abundanz sowie die Zusammensetzung der Gemeinschaften wurden unter Berücksichtigung räumlicher, zeitlicher und umweltbezogener Parameter analysiert. Die Analyse ergab, dass Umweltfilterung basierend auf Parametern wie pH-Wert, Größe, Lage und Typ des Habitats (d.h. des Solls) und der umgebenden Feldfrüchte die Zusammensetzung der Zooplanktongemeinschaft weitgehend bestimmt (erklärte Varianz: Bray-Curtis-Dissimilaritäten: 10,5%; Jaccard-Dissimilaritäten: 12,9%), was darauf hindeutet, dass die Anpassung an einen bestimmten Lebensraum ein wichtiges Merkmal der Zooplanktonarten in diesem System ist. Während die räumliche Struktur der Sölle eine geringe Rolle spielte (erklärte Varianz: Bray-Curtis-Dissimilaritäten: 2,8% und Jaccard-Dissimilaritäten: 5,5%), hatten die einzelnen Standorte einen erheblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der Gemeinschaft. Dies deutet auf Monopolisierung/Prioritätseffekte (d.h. ruhende Gemeinschaften) bestimmter Arten in einzelnen Söllen hin. Da Umweltfilterung der dominierende Prozess für die Strukturierung der Zooplanktongemeinschaften ist, könnte dieses System durch künftige Landnutzungsänderungen, Verschmutzung und Klimawandel erheblich beeinflusst werden.
KW  - Zooplankton
KW  - Metacommunity
KW  - B. calyciflorus species complex
KW  - adaptation
KW  - hybridization
KW  - Metagemeinschaft
KW  - Anpassung
KW  - Hybridisierung
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stephan, Mareike Sophia
T1  - A bacterial mimetic system to study bacterial inactivation and infection
N2  - The emerging threat of antibiotic-resistant bacteria has become a global challenge in the last decades, leading to a rising demand for alternative treatments for bacterial infections. One approach is to target the bacterial cell envelope, making understanding its biophysical properties crucial. Specifically, bacteriophages use the bacterial envelope as an entry point to initiate infection, and they are considered important building blocks of new antibiotic strategies against drug-resistant bacteria.. Depending on the structure of the cell wall, bacteria are classified as Gram-negative and Gram-positive. Gram-negative bacteria are equipped with a complex cell envelope composed of two lipid membranes enclosing a rigid peptidoglycan layer. The synthesis machinery of the Gram-negative cell envelope is the target of antimicrobial agents, including new physical sanitizing procedures addressing the outer membrane (OM). It is therefore very important to study the biophysical properties of the Gram-negative bacterial cell envelope. The high complexity of the Gram-negative OM sets the demand for a model system in which the contribution of individual components can be evaluated separately. In this respect, giant unilamellar vesicles (GUVs) are promising membrane systems to study membrane properties while controlling parameters such as membrane composition and surrounding medium conditions.
The aim of this work was to develop methods and approaches for the preparation and characterization of a GUV-based membrane model that mimics the OM of the Gram-negative cell envelope. A major component of the OM is the lipopolysaccharide (LPS) on the outside of the OM heterobilayer. The vesicle model was designed to contain LPS in the outer leaflet and lipids in the inner leaflet. Furthermore, the interaction of the prepared LPS-GUVs with bacteriophages was tested. LPS containing GUVs were prepared by adapting the inverted emulsion technique to meet the challenging properties of LPS, namely their high self-aggregation rate in aqueous solutions. Notably, an additional emulsification step together with the adaption of solution conditions was employed to asymmetrically incorporate LPS containing long polysaccharide chains into the artificial membranes. GUV membrane asymmetry was verified with a fluorescence quenching assay. Since the necessary precautions for handling the quenching agent sodium dithionite are often underestimated and poorly described, important parameters were tested and identified to obtain a stable and reproducible assay. In the context of varied LPS incorporation, a microscopy-based technique was introduced to determine the LPS content on individual GUVs and to directly compare vesicle properties and LPS coverage. Diffusion coefficient measurements in the obtained GUVs showed that increasing LPS concentrations in the membranes resulted in decreased diffusivity.
Employing LPS-GUVs we could demonstrate that a Salmonella bacteriophage bound with high specificity to its LPS receptor when presented at the GUV surface, and that the number of bound bacteriophages scaled with the amount of presented LPS receptor. In addition to binding, the bacteriophages were able to eject their DNA into the vesicle lumen. LPS-GUVs thus provide a starting platform for bottom-up approaches for the generation of more complex membranes, in which the effects of individual components on the membrane properties and the interaction with antimicrobial agents such as bacteriophages could be explored.
N2  - Die wachsende Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien ist in den letzten Jahrzehnten zu einer globalen Herausforderung geworden, was zu einer steigenden Nachfrage nach alternativen Behandlungsmethoden für bakterielle Infektionen geführt hat. Ein Ansatz besteht darin, die bakterielle Zellhülle anzugreifen, weshalb das Verständnis ihrer biophysikalischen Eigenschaften entscheidend ist. Insbesondere Bakteriophagen, Viren, die Bakterien infizieren, nutzen die Bakterienhülle als ersten Angriffspunkt für die Infektion und gelten als wichtige Bausteine für neue Antibiotikastrategien gegen arzneimittelresistente Bakterien. Je nach Struktur der Zellwand werden Bakterien in gramnegative und grampositive Bakterien eingeteilt. Gramnegative Bakterien sind mit einer komplexen Zellhülle ausgestattet. Daher ist es sehr wichtig, ihre biophysikalischen Eigenschaften zu untersuchen. Die hohe Komplexität der äußeren Zellhülle, auch äußere Membran genannt, erfordert ein Modellsystem, in dem der Beitrag jeder einzelnen Komponente separat bewertet werden kann. In dieser Hinsicht sind Vesikel-basierte Modellsysteme sehr vielversprechend, da sie wichtige Eigenschaften der äußeren Membran simulieren können, aber in ihrer Komplexität stark reduziert und kontrollierbar sind. Ziel dieser Arbeit war es, Methoden und Ansätze für die Herstellung und Charakterisierung eines Vesikel-basierten Modells zu entwickeln, das die äußere Membran der gramnegativen bakteriellen Zellhülle nachahmt. Ein Hauptbestandteil der äußeren Membran ist Lipopolysaccharid (LPS), das asymmetrisch auf der Außenseite der äußeren Membran vorhanden ist. Das Vesikelmodell wurde so konzipiert, dass es außen LPS und innen Phospholipide enthält. Die Herstellung des beschriebenen Modellsystems erforderte einige Anpassungen, da die Hüllkomponente LPS eine hohe Tendenz zur Bildung von Selbstaggregaten aufweist. Durch die Einführung eines zusätzlichen Schrittes in das Standardprotokoll konnten Vesikel mit LPS-Inkorporation erzeugt werden. Es wurde sowohl die Menge als auch die asymmetrische Verteilung des LPS-Einbaus bestimmt. Mit Hilfe von Bakteriophagen sollte die biologische Wirkung des Modellsystems getestet werden. Es wurde gezeigt, dass Bakteriophagen, die spezifisch LPS erkennen und binden, nach Zugabe zum Modellsystem die Vesikel binden und ihr genetisches Material in das Vesikel-Innere injizieren. Die hier beschriebenen LPS-haltigen Vesikel können als Ausgangsplattform für Bottom-up-Ansätze zur Herstellung komplexerer Membranen verwendet werden. Mit diesen komplexeren, aber kontrollierbaren Systemen lassen sich die Auswirkungen einzelner Komponenten der bakteriellen Zellhülle auf die Eigenschaften der Zellhülle sowie ihre Wechselwirkung mit antimikrobiellen Wirkstoffen wie Bakteriophagen untersuchen.
KW  - Bakterien
KW  - Bakteriophagen
KW  - Zellmembran
KW  - Vesikel
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - Lipopolysaccharid
KW  - gramnegativ
KW  - bacteria
KW  - bacteriophage
KW  - cell membrane
KW  - vesicle
KW  - confocal microscopy
KW  - lipopolysaccharide
KW  - gram-negative
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prüfer, Mareike
T1  - Charakterisierung und wechselfeldgestützte Herstellung von Enzym-Nanoarrays
T1  - Characterization and AC-electrokinetical production of enzyme nanoarrays
N2  - Dielektrophorese ist die Manipulation polarisierbarer Partikel durch inhomogene elektrische Wechselfelder. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Enzyme durch Dielektrophorese immobilisiert und anschließend hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität untersucht: Meerrettichperoxidase, Cholinoxidase aus Alcaligenes sp. und Glucoseoxidase aus Aspergillus niger. Die Immobilisierung erfolgte durch Dielektrophorese auf nano-Elektrodenarrays aus Wolfram-Zylindern mit 500 nm Durchmesser oder aus Titannitrid-Ringen mit 20 nm Breite. Die Immobilisierung der Enzyme konnte fluoreszenzmikroskopisch entweder anhand der intrinsischen Fluoreszenz oder aufgrund einer Fluoreszenzmarkierung vor oder nach der Immobilisierung für alle getesteten Enzyme nachgewiesen werden. Die Messung der Enzymaktivität erfolgte quantitativ durch den direkten oder indirekten Nachweis des gebildeten Produktes oder, im Falle der Cholinoxidase, durch Beobachtung der intrinsischen Fluoreszenz des Cofaktors FAD, die vom Oxidationszustand dieses Enzyms abhängt. Für die Meerrettichperoxidase konnte so eine hohe erhaltene Enzymaktivität nach der Immobilisierung nachgewiesen werden. Die Aktivität der permanent immobilisierten Fraktion der Meerrettichperoxidase entsprach bis zu 47 % der höchstmöglichen Aktivität einer Monolage dieses Enzyms auf den Elektroden des Chips. Diese Aktivität kann als aktive, aber zufällig gegenüber der Oberfläche ausgerichtete Enzymschicht interpretiert werden. Für die permanent immobilisierte Glucoseoxidase wurde nur eine Aktivität entsprechend <1,3 % der Aktivität einer solchen Enzymschicht detektiert, während für die immobilisierte Cholinoxidase gar keine Aktivität nachgewiesen werden konnte. Die Aktivität der durch DEP immobilisierten Enzyme konnte somit quantitativ bestimmt werden. Der Anteil an erhaltener Aktivität hängt dabei stark vom verwendeten Enzym ab.
N2  - Dielectrophoresis is the manipulation of polarizable particles by alternating inhomogeneous electric fields. In this work, three enzymes were immobilized by dielectrophoresis and were analyzed regarding their catalytic activity afterwards: Horseradish peroxidase, choline oxidase from Alcaligenes sp. and glucose oxidase from Aspergillus niger. Immobilization by dielectrophoresis took place on nanoelectrode arrays consisting of tungsten cylinders with a diameter of 500 nm or of titanium nitride rings with a width of 20 nm. Immobilization was verified by fluorescence microscopy using either the intrinsic fluorescence of the enzymes or fluorescent labeling of the enzymes before or after immobilization. Enzyme activity measurements were performed quantitatively by direct or indirect detection of the enzyme’s product or, in the case of choline oxidase, by observing the intrinsic fluorescence of the enzyme’s cofactor FAD which is a function of its oxidation state. For horesradish peroxidase, a rather high retained activity of the enzyme after immobilization was observed. The activity of the permanently immobilized fraction of horseradish peroxidase equaled up to 47 % of the activity which can be maximally expected for a fully active monolayer of the enzyme molecules on all electrodes of the chip. This activity can be interpreted as the result of a fully active, but randomly oriented monolayer of immobilized horseradish peroxidase. The activity of permanently immobilized glucose oxidase equaled only <1,3 % of a fully active monolayer, whereas no activity was evident for immobilized choline oxidase. Accordingly, the activity of enzymes immobilized by DEP was measured quantitatively. The percentage of retained activity thereby strongly depends on the enzyme under investigation.
KW  - Enzyme
KW  - Dielektrophorese
KW  - enzymes
KW  - dielectrophoresis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612329
ER  - 
TY  - THES
A1  - Petrich, Annett
T1  - Quantitative fluorescence microscopy methods to investigate molecular interactions and dynamics in living cells
T1  - Quantitative Fluoreszenzmikroskopiemethoden zur Untersuchung molekularer Interaktionen und Dynamik in lebenden Zellen
N2  - Biomolecules such as proteins and lipids have vital roles in numerous cellular functions, including biomolecule transport, protein functions, cellular homeostasis and biomembrane integrity. Traditional biochemistry methods do not provide precise information about cellular biomolecule distribution and behavior under native environmental conditions since they are not transferable to live cell samples. Consequently, this can lead to inaccuracies in quantifying biomolecule interactions due to potential complexities arising from the heterogeneity of native biomembranes. To overcome these limitations, minimal invasive microscopic techniques, such as fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS) in combination with fluorescence proteins (FPs) and fluorescence lipid analogs, have been developed. FFS techniques and membrane property sensors enable the quantification of various parameters, including concentration, dynamics, oligomerization, and interaction of biomolecules in live cell samples.
In this work, several FFS approaches and membrane property sensors were implemented and employed to examine biological processes of diverse context. Multi-color scanning fluorescence fluctuation spectroscopy (sFCS) was used the examine protein oligomerization, protein-protein interactions (PPIs) and protein dynamics at the cellular plasma membrane (PM). Additionally, two-color number and brightness (N&B) analysis was extended with the cross-correlation analysis in order to quantify hetero-interactions of proteins in the PM with very slow motion, which would not accessible with sFCS due strong initial photobleaching. Furthermore, two semi-automatic analysis pipelines were designed: spectral Förster resonance energy transfer (FRET) analysis to study changes in membrane charge at the inner leaflet of the PM, and spectral generalized polarization (GP) imaging and spectral phasor analysis to monitor changes in membrane fluidity and order.
An important parameter for studying PPIs is molecular brightness, which directly determines oligomerization and can be extracted from FFS data. However, FPs often display complex photophysical transitions, including dark states. Therefore, it is crucial to characterize FPs for their dark-states to ensure reliable oligomerization measurements. In this study, N&B and sFCS analysis were applied to determine photophysical properties of novel green FPs under different conditions (i.e., excitation power and pH) in living cells. The results showed that the new FPs, mGreenLantern (mGL) and Gamillus, exhibited the highest molecular brightness at the cost of lower photostability. The well-established monomeric enhanced green fluorescent protein (mEGFP) remained the best option to investigate PPIs at lower pH, while mGL was best suited for neutral pH, and Gamillus for high pH. These findings provide guidance for selecting an appropriate FP to quantify PPIs via FFS under different environmental conditions.
Next, several biophysical fluorescence microscopy approaches (i.e., sFCS, GP imaging, membrane charge FRET) were employed to monitor changes in lipid-lipid-packing in biomembranes in different biological context. Lipid metabolism in cancer cells is known to support rapid proliferation and metastasis. Therefore, targeting lipid synthesis or membrane integrity holds immense promise as an anticancer strategy. However, the mechanism of action of the novel agent erufosine (EPC3) on membrane stability is not fully under
stood. The present work revealed that EPC3 reduces lipid packing and composition as well as increased membrane fluidity and dynamic, hence, modifies lipid-lipid-interaction. These effects on membrane integrity were likely triggered by modulations in lipid metabolism and membrane organization. In the case of influenza A virus (IAV) infection, regulation of lipid metabolism is crucial for multiple steps in IAV replication and is related to the pathogenicity of IAV. Here, it is shown for the first time that IAV infection triggers a local enrichment of negatively charged lipids at the inner leaflet of the PM, which decreases membrane fluidity and dynamic, as well as increases lipid packing at the assembly site in living cells. This suggests that IAV alters lipid-lipid interactions and organization at the PM. Overall, this work highlights the potential of biophysical techniques as a screening platform for studying membrane properties in living cells at the single-cell level.
Finally, this study addressed remaining questions about the early stage of IAV assembly. The recruitment of matrix protein 1 (M1) and its interaction with other viral surface proteins, hemagglutinin (HA), neuraminidase (NA), and matrix protein 2 (M2), has been a subject of debate due to conflicting results. In this study, different FFS approaches were performed in transfected cells to investigate interactions between IAV proteins themselves and host factors at the PM. FFS measurements revealed that M2 interacts strongly with M1, leading to the translocation of M1 to the PM. This interaction likely took place along the non-canonical pathway, as evidenced by the detection of an interaction between M2 and the host factor LC3-II, leading to the recruitment of LC3-II to the PM. Moreover, weaker interaction was observed between HA and membrane-bound M1, and no interaction between NA and M1. Interestingly, higher oligomeric states of M1 were only detectable in infected cells. These results indicate that M2 initiates virion assembly by recruiting M1 to the PM, which may serve as a platform for further interactions with viral proteins and host factors.
N2  - Biomoleküle wie Proteine und Lipide spielen eine wichtige Rolle bei zahlreichen Zellfunktionen, darunter Biomolekültransport, Proteinfunktionen, zelluläre Homöostase und Biomembranintegrität. Traditionelle biochemische Methoden liefern keine Informationen über die Verteilung und das Verhalten zellulärer Biomolekülen unter natürlichen Bedingungen, da sie nicht auf lebende Zellproben übertragbar sind. Folglich kann dies zu Ungenauigkeiten bei der Quantifizierung von Biomolekülinteraktionen führen und potenzielle Komplexitäten der Heterogenität nativer Biomembranen übersehen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden minimalinvasive mikroskopische Techniken wie die Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie (FFS) in Kombination mit Fluoreszenzproteinen (FPs) und Fluoreszenzlipidanaloga entwickelt. FFS-Techniken und Membraneigenschaftssensoren ermöglichen die Quantifizierung verschiedener Parameter, einschließlich Konzentration, Dynamik, Oligomerisierung und Wechselwirkung von Biomolekülen in lebenden Zellproben.
In dieser Arbeit wurden mehrere FFS-Ansätze und Sensoren für Membraneigenschaften implementiert und eingesetzt, um biologische Prozesse in verschiedenen Zusammenhängen zu untersuchen. Die Mehrfarben-Scanning-Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie (sFCS) wurde zur Untersuchung von Protein-Oligomerisierung, Protein-Protein-Wechselwirkungen (PPIs) und Proteindynamik an der zellulären Plasmamembran (PM) eingesetzt. Zusätzlich wurde die Zweifarben-Analyse von Anzahl und Helligkeit (N&B) mit der Kreuzkorrelationsanalyse erweitert, um Hetero-Interaktionen von Proteinen in der PM mit sehr langsamer Dynamik zu quantifizieren, die mit sFCS aufgrund starker anfänglicher Bleiche der Fluorophore nicht zugänglich wären. Darüber hinaus wurden zwei halbautomatische Analysepipelines entwickelt: die spektrale Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)-Analyse zur Untersuchung von Änderungen der Membranladung auf der Innenseite der PM und die spektrale generalisierte Polarisation (GP)-Bildgebung sowie die spektrale Phasor-Analyse zur Überwachung von Änderungen der Membranfluidität und -ordnung.
Ein wichtiger Parameter zur Untersuchung von PPIs ist die molekulare Helligkeit, die die Oligomerisierung direkt bestimmt und aus FFS daten extrahiert werden kann. Allerdings weisen FPs häufig komplexe photophysikalische Übergänge auf, einschließlich nichtfluoreszierender Zustände. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, FPs hinsichtlich ihrer dunklen Zustände zu charakterisieren, um zuverlässige Oligomerisierungsmessungen sicherzustellen. In dieser Studie wurden N&B- und sFCS-Analysen angewendet, um die photophysikalischen Eigenschaften neuartiger grüner FPs unter verschiedenen Bedingungen (d. h. Anregungsleistung und pH-Wert) in lebenden Zellen zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die neuen FPs mGreenLantern (mGL) und Gamillus die höchste molekulare Helligkeit aufwiesen, allerdings auf Kosten einer geringeren Photostabilität. Das etablierte mEGFP blieb die beste Option, um PPIs bei niedrigerem pH-Wert zu untersuchen, während mGL am besten für neutralen pH-Wert und Gamillus für hohen pH-Wert geeignet war. Diese Ergebnisse bieten Orientierung für die Auswahl eines geeigneten FP zur Quantifizierung von PPIs über FFS unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.
Als nächstes wurden mehrere biophysikalische Fluoreszenzmikroskopie-Ansätze (z. B. sFCS, GP-Bildgebung, Membranladung-FRET) eingesetzt, um Veränderungen in der Lipid-Lipid-Packung in Biomembranen in verschiedenen biologischen Kontexten zu überwachen. Es ist bekannt, dass der Lipidstoffwechsel in Krebszellen die schnelle Vermehrung und Metastasierung fördert. Daher ist die gezielte Beeinflussung der Lipidsynthese oder der Membranintegrität eine vielversprechende Strategie zur Krebsbekämpfung. Der Wirkungsmechanismus des neuartigen Wirkstoffs Erufosin (EPC3) auf die Membranstabilität ist nicht vollständig geklärt. Die vorliegende Arbeit ergab, dass EPC3 die Lipidpackung und -zusammensetzung reduziert sowie die Fluidität und Dynamik der Membran erhöht und somit die Lipid-Lipid-Wechselwirkung verändert. Diese Auswirkungen auf die Membranintegrität wurden wahrscheinlich durch Modulationen des Lipidstoffwechsels und der Membranorganisation ausgelöst. Im Falle einer Infektion mit dem Influenza-A-Virus (IAV) ist die Regulierung des Lipidstoffwechsels für mehrere Schritte der IAV-Replikation von entscheidender Bedeutung und hängt mit der Pathogenität von IAV zusammen. Hier wird zum ersten Mal gezeigt, dass eine IAV-Infektion eine lokale Anreicherung negativ geladener Lipide an der Innenseite der PM auslöst, die Fluidität und Dynamik der Membran verringert und die Lipidpackung an der Assemblierungsstelle in lebenden Zellen erhöht. Dies legt nahe, dass IAV die Lipid-Lipid-Wechselwirkungen und die Organisation am PM verändert. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit das Potenzial biophysikalischer Techniken als Screening-Plattform zur Untersuchung von Membraneigenschaften in lebenden Zellen auf Einzelzellebene.
Abschließend ging diese Studie auf verbleibende Fragen zur frühen Phase der IAV-Assemblierung ein. Die Rekrutierung von Matrixprotein 1 (M1) und seine Wechselwirkung mit anderen viralen Oberflächenproteinen, Hämagglutinin (HA), Neuraminidase (NA) und Matrixprotein 2 (M2), war aufgrund widersprüchlicher Ergebnisse Gegenstand von Debatten. In dieser Studie wurden verschiedene FFS-Ansätze in transfizierten Zellen durchgeführt, um Wechselwirkungen zwischen IAV-Proteinen untereinander und Wirtsfaktoren an der PM zu untersuchen. FFS-Messungen ergaben, dass M2 stark mit M1 interagiert, was zur Translokation von M1 zur PM führt. Diese Interaktion fand wahrscheinlich entlang des nichtkanonischen Weges statt, was durch den Nachweis einer Interaktion zwischen M2 und dem Wirtsfaktor LC3-II belegt wurde, die zur Rekrutierung von LC3-II zur PM führte. Darüber hinaus wurde eine schwächere Wechselwirkung zwischen HA und membrangebundenem M1 beobachtet und keine Wechselwirkung zwischen NA und M1. Interessanterweise waren höhere oligomere Zustände von M1 nur in infizierten Zellen nachweisbar. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass M2 den Zusammenbau von Virionen initiiert, indem es M1 zur PM rekrutiert, welches als Plattform für weitere Interaktionen mit viralen Proteinen und Wirtsfaktoren dienen könnte.
KW  - influenza A virus
KW  - virus-host interaction
KW  - cancer
KW  - biomolecule interactions
KW  - membrane fluidity
KW  - fluorescence fluctuation spectroscopy
KW  - fluorescent proteins
KW  - biosensors
KW  - Biomolekülinteraktionen
KW  - Biosensoren
KW  - Krebs
KW  - Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie
KW  - fluoreszierende Proteine
KW  - Influenza A Virus
KW  - Membranfluidität
KW  - Virus-Wirt-Interaktion
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611800
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  - Leins, Johannes A.
T1  - Combining model detail with large scales
T1  - Die Verbindung von Modelldetails und großen Skalen
BT  - a simulation framework for population viability analyses in changing and disturbed environments
BT  - ein Simulationswerkzeug zur Analyse der Überlebensfähigkeit von Populationen in einer sich verändernden und gestörten Umwelt
N2  - The global climate crisis is significantly contributing to changing ecosystems, loss of biodiversity and is putting numerous species on the verge of extinction. In principle, many species are able to adapt to changing conditions or shift their habitats to more suitable regions. However, change is progressing faster than some species can adjust, or potential adaptation is blocked and disrupted by direct and indirect human action. Unsustainable anthropogenic land use in particular is one of the driving factors, besides global heating, for these ecologically critical developments. Precisely because land use is anthropogenic, it is also a factor that could be quickly and immediately corrected by human action.
In this thesis, I therefore assess the impact of three climate change scenarios of increasing intensity in combination with differently scheduled mowing regimes on the long-term development and dispersal success of insects in Northwest German grasslands. The large marsh grasshopper (LMG, Stethophyma grossum, Linné 1758) is used as a species of reference for the analyses. It inhabits wet meadows and marshes and has a limited, yet fairly good ability to disperse. Mowing and climate conditions affect the development and mortality of the LMG differently depending on its life stage.
The specifically developed simulation model HiLEG (High-resolution Large Environmental
Gradient) serves as a tool for investigating and projecting viability and dispersal success under different climate conditions and land use scenarios. It is a spatially explicit, stage- and cohort-based model that can be individually configured to represent the life cycle and characteristics of terrestrial insect species, as well as high-resolution environmental data and the occurrence of external disturbances. HiLEG is a freely available and adjustable software that can be used to support conservation planning in cultivated grasslands.
In the three case studies of this thesis, I explore various aspects related to the structure of simulation models per se, their importance in conservation planning in general, and insights regarding the LMG in particular. It became apparent that the detailed resolution of model processes and components is crucial to project the long-term effect of spatially and temporally confined events. Taking into account conservation measures at the regional level has further proven relevant, especially in light of the climate crisis. I found that the LMG is benefiting from global warming in principle, but continues to be constrained by harmful mowing regimes. Land use measures could, however, be adapted in such a way that they allow the expansion and establishment of the LMG without overly affecting agricultural yields.
Overall, simulation models like HiLEG can make an important contribution and add value
to conservation planning and policy-making. Properly used, simulation results shed light
on aspects that might be overlooked by subjective judgment and the experience of individual stakeholders. Even though it is in the nature of models that they are subject to limitations and only represent fragments of reality, this should not keep stakeholders from using them, as long as these limitations are clearly communicated. Similar to HiLEG, models could further be designed in such a way that not only the parameterization can be adjusted as required, but also the implementation itself can be improved and changed as desired. This openness and flexibility should become more widespread in the development of simulation models.
N2  - Die globale Klimakrise trägt maßgeblich dazu bei, dass sich Ökosysteme verändern, die Artenvielfalt sinkt und zahlreiche Spezies vom Aussterben bedroht sind. Viele Arten sind prinzipiell in der Lage, sich wandelnden Bedingungen anzugleichen oder ihre Habitate in geeignetere Regionen zu verlagern. Allerdings schreitet der Wandel schneller voran als sich einige Spezies anpassen können oder die mögliche Anpassung wird durch direkte und indirekte menschliche Eingriffe blockiert und gestört. Gerade die nicht-nachhaltige Landnutzung durch den Menschen ist neben der Klimaerhitzung einer der treibenden Faktoren für diese ökologisch kritischen Entwicklungen. Gleichzeitig ist sie durch ihre unmittelbare menschliche Ursache ein Faktor, der sich kurzfristig und schnell korrigieren ließe.
Zu diesem Zweck untersuche ich in dieser Dissertation, wie sich drei Klimawandelszenarien ansteigender Intensität im Zusammenspiel mit unterschiedlich terminierten Mahdregimen im Nordwestdeutschen Grünland auf die langfristige Entwicklung und Ausbreitung von Insekten auswirken. In der Untersuchung fungiert die Sumpfschrecke (Stethophyma grossum, Linné 1758) als Bezugsspezies. Sie ist in Feucht- und Nasswiesen zu Hause und zu räumlicher Ausbreitung fähig, auch wenn sie nur eingeschränkt mobil ist. Mahd und Klimabedingungen wirken sich je nach Lebensstadium unterschiedlich stark auf die Entwicklung und Mortalität der Sumpfschrecke aus.
Das eigens entwickelte Simulationsmodell HiLEG (High-resolution Large Environmental Gradient) dient als Werkzeug zur Untersuchung und Projektion der Überlebens- und Ausbreitungswahrscheinlichkeit unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien. Es ist ein räumlich explizites, stadien- und kohortenbasiertes Modell, das individuell konfiguriert werden kann, um den Lebenszyklus und die Charakteristiken terrestrischer Insektenarten sowie hochaufgelöste Umweltdaten und das zeitlich variierende Auftreten externer Störfaktoren abzubilden. HiLEG ist eine frei verfügbare Software und kann zur Unterstützung bei der Planung von Umweltschutzmaßnahmen in kultiviertem Grünland verwendet werden.
In den drei Fallstudien dieser Arbeit habe ich verschiedene Aspekte in Bezug auf die Struktur von Simulationsmodellen an sich, deren Bedeutung im Naturschutz im Allgemeinen und Erkenntnisse für die Sumpfschrecke im Speziellen untersucht. Es zeigte sich, dass die detaillierte Auflösung der Modellprozesse und -komponenten entscheidend ist, um den langfristigen Effekt räumlich und zeitlich begrenzter Ereignisse projizieren zu können. Insbesondere in Anbetracht der Klimakrise hat sich die gesteigerte Relevanz von Naturschutzmaßnahmen auf regionaler Ebene herausgestellt. Ich konnte außerdem bestätigen, dass die Sumpfschrecke zwar im Prinzip von der Klimaerwärmung profitiert, aber weiterhin durch ungeeignete Mahdregime beschränkt wird. Bewirtschaftungspläne könnten allerdings in dem Sinne angepasst werden, dass sie die Ausbreitung und Etablierung der Sumpfschrecke erlauben, ohne sich über die Maßen auf den Ertrag der Landwirtschaft auszuwirken.
Insgesamt können Simulationsmodelle wie HiLEG einen wichtigen Beitrag und Mehrwert für die Planung von Naturschutzmaßnahmen und Politikinstrument leisten. Richtig eingesetzt beleuchten die Simulationsergebnisse Aspekte, die durch subjektive Bewertung und Erfahrung einzelner Akteure möglicherweise übersehen würden. Auch wenn es in der Natur von Modellen liegt, dass sie Einschränkungen unterworfen sind und nur Ausschnitte der Realität abbilden, sollte dies kein Hindernis für ihren Einsatz sein, solange diese Limitierungen klar kommuniziert werden.
Analog zu HiLEG könnten Modelle so konzipiert werden, dass nicht nur ihre Parametrisierung nach Bedarf angepasst, sondern auch die Implementierung selbst beliebig verbessert und verändert werden kann. Diese Offenheit und Flexibilität sollte sich bei der Entwicklung von Simulationsmodelle stärker durchsetzen.
KW  - spatially explicit model
KW  - large marsh grasshopper
KW  - simulation framework
KW  - climate change
KW  - land use
KW  - Open Source
KW  - Open Access
KW  - dispersal
KW  - PVA (population viability analysis)
KW  - high resolution
KW  - scaling
KW  - grassland
KW  - disturbance timing
KW  - Klimawandel
KW  - Ausbreitung
KW  - Zeitpunkt von Störungen
KW  - Grünland
KW  - hohe Auflösung
KW  - Landnutzung
KW  - Sumpfschrecke
KW  - Open Access
KW  - Open Source
KW  - Populationsgefährdungsanalyse
KW  - Skalierung
KW  - Simulationsframework
KW  - räumlich explizites Modell
KW  - Stethophyma grossum
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582837
ER  - 
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  - Calderón Quiñónez, Ana Patricia
T1  - Ecology and conservation of the jaguar (Panthera onca) in Central America
T1  - Ökologie und Schutz des Jaguars (Panthera onca) in Mittelamerika
N2  - Conservation of the jaguar relies on holistic and transdisciplinary conservation strategies that integratively safeguard essential, connected habitats, sustain viable populations and their genetic exchange, and foster peaceful human-jaguar coexistence. These strategies define four research priorities to advance jaguar conservation throughout the species’ range. In this thesis I provide several relevant ecological and sociological insights into these research priorities, each addressed in a separate chapter. I focus on the effects of anthropogenic landscapes on jaguar habitat use and population gene flow, spatial patterns of jaguar habitat suitability and functional population connectivity, and on innovative governance approaches which can work synergistically to help achieve human-wildlife conviviality. Furthermore, I translate these insights into recommendations for conservation practice by providing tools and suggestions that conservation managers and stakeholders can use to implement local actions but also make broad scale conservation decisions in Central America. In Chapter 2, I model regional habitat use of jaguars, producing spatially-explicit maps for management of key areas of habitat suitability. Using an occupancy model of 13-year-camera-trap occurrence data, I show that human influence has the strongest impact on jaguar habitat use, and that Jaguar Conservation Units are the most important reservoirs of high quality habitat in this region. I build upon these results by zooming in to an area of high habitat suitability loss in Chapter 3, northern Central America. Here I study the drivers of jaguar gene flow and I produce spatially-explicit maps for management of key areas of functional population connectivity in this region. I use microsatellite data and pseudo-optimized multiscale, multivariate resistance surfaces of gene flow to show that jaguar gene flow is influenced by environmental, and even more strongly, by human influence variables; and that the areas of lowest gene flow resistance largely coincide with the location of the Jaguar Conservation Units. Given that human activities significantly impact jaguar habitat use and gene flow, securing viable jaguar populations in anthropogenic landscapes also requires fostering peaceful human-wildlife coexistence. This is a complex challenge that cannot be met without transdisciplinary academic research and cross-sectoral, collaborative governance structures that effectively respond to the multiple challenges of such coexistence. With this in mind, I focus in Chapter 4 on carnivore conservation initiatives that apply transformative governance approaches to enact transformative change towards human-carnivore coexistence. Using the frameworks of transformative biodiversity governance and convivial conservation, I highlight in this chapter concrete pathways, supported by more inclusive, democratic forms of conservation decision-making and participation that promote truly transformative changes towards human-jaguar conviviality.
N2  - Die Erhaltung des Jaguars beruht auf ganzheitlichen und transdisziplinären Erhaltungsstrategien, die wesentliche, zusammenhängende Lebensräume schützen, lebensfähige Populationen und deren genetischen Austausch erhalten und die friedliche Koexistenz von Mensch und Jaguar fördern. Diese Strategien werden durch die vier Forschungsprioritäten veranschaulicht, die den Schutz des Jaguars im gesamten Verbreitungsgebiet der Art vorantreiben sollen. In dieser Arbeit möchte ich die Forschung zum Schutz des Jaguars vorantreiben, indem ich mehrere relevante ökologische und soziologische Einblicke in diese Forschungsschwerpunkte gebe, die jeweils in einem eigenen Kapitel behandelt werden. Ich konzentriere mich auf die Auswirkungen anthropogener Landschaften auf die Lebensraumnutzung von Jaguaren und den Genfluss in der Population, auf räumliche Muster der Lebensraumeignung von Jaguaren und die funktionale Konnektivität von Populationen sowie auf innovative Governance-Ansätze, die synergetisch wirken können, um die Konvivenz zwischen Mensch und Wildtier zu fördern. Darüber hinaus setze ich diese Erkenntnisse in Empfehlungen für die Naturschutzpraxis um, indem ich konkrete Instrumente und Vorschläge für Maßnahmen anbiete, die Naturschutzmanager und Interessenvertreter nutzen können, um lokale Maßnahmen umzusetzen, aber auch um weitreichende Naturschutzentscheidungen in Zentralamerika zu treffen. In Kapitel 2 modelliere ich die regionale Lebensraumnutzung von Jaguaren und erstelle räumlich explizite Karten für das Management von Schlüsselgebieten mit geeigneter Lebensraumnutzung. Mithilfe eines Habitatmodells basierend auf 13-Jahres-Kamerfangdaten-Studien zeige ich, dass der menschliche Einfluss die stärkste Auswirkung auf die Lebensraumnutzung von Jaguaren hat und dass die Jaguar-Schutzgebiete die wichtigsten Reservoirs für hochwertige Lebensräume in dieser Region sind. Auf diesen Ergebnissen baue ich auf, indem ich in Kapitel 3 ein Gebiet mit einem hohen Verlust an Lebensraumeignung, das nördliche Mittelamerika, näher betrachte. Hier untersuche ich die Triebkräfte des Genflusses bei Jaguaren und erstelle räumlich explizite Karten für das Management von Schlüsselgebieten mit funktionaler Populationskonnektivität in dieser Region. Ich verwende Mikrosatellitendaten und pseudo-optimierte multiskalige, multivariate Widerstandsflächen des Genflusses, um zu zeigen, dass der Genfluss von Jaguaren durch Umweltvariablen und noch stärker durch menschliche Einflussfaktoren beeinflusst wird und dass die Gebiete mit dem geringsten Genflusswiderstand weitgehend mit den Standorten der Jaguar-Schutzgebiete übereinstimmen. Da sich menschliche Aktivitäten erheblich auf die Lebensraumnutzung der Jaguare und den Genfluss auswirken, ist für die Sicherung lebensfähiger Jaguarpopulationen in anthropogenen Landschaften auch die Förderung einer friedlichen Koexistenz von Mensch und Wildtieren erforderlich. Dies ist eine komplexe Herausforderung, die ohne transdisziplinäre akademische Forschung und
sektorübergreifende, kooperative Governance-Strukturen, die wirksam auf die vielfältigen Herausforderungen einer solchen Koexistenz reagieren, nicht zu bewältigen ist. Vor diesem Hintergrund konzentriere ich mich in Kapitel 4 auf Initiativen zum Schutz von Raubtieren, die transformative Governance-Ansätze anwenden, um einen Wandel hin zu einer Konvivenz zwischen Mensch und Raubtier zu bewirken. Unter Verwendung des Rahmens der transformativen Biodiversitäts-Governance und des konvivialen Naturschutzes zeige ich in diesem Kapitel konkrete Wege auf, die durch integrativere, demokratische Formen der Entscheidungsfindung im Naturschutz unterstützt werden und wirklich transformative Veränderungen in Richtung Konvivialität zwischen Mensch und Jaguar fördern.
KW  - jaguar
KW  - ecology
KW  - felid conservation
KW  - Central America
KW  - habitat use
KW  - coexistence
KW  - population connectivity
KW  - Mittelamerika
KW  - Koexistenz
KW  - Ökologie
KW  - Schutz von Raubtieren
KW  - Lebensraumnutzung
KW  - Jaguar
KW  - Populationskonnektivität
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613671
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  - Malchow, Anne-Kathleen
T1  - Developing an integrated platform for predicting niche and range dynamics
BT  - inverse calibration of spatially-explicit eco-evolutionary models
N2  - Species are adapted to the environment they live in. Today, most environments are subjected to rapid global changes induced by human activity, most prominently land cover and climate changes. Such transformations can cause adjustments or disruptions in various eco-evolutionary processes. The repercussions of this can appear at the population level as shifted ranges and altered abundance patterns. This is where global change effects on species are usually detected first.

To understand how eco-evolutionary processes act and interact to generate patterns of range and abundance and how these processes themselves are influenced by environmental conditions, spatially-explicit models provide effective tools. They estimate a species’ niche as the set of environmental conditions in which it can persist. However, the currently most commonly used models rely on static correlative associations that are established between a set of spatial predictors and observed species distributions. For this, they assume stationary conditions and are therefore unsuitable in contexts of global change. Better equipped are process-based models that explicitly implement algorithmic representations of eco-evolutionary mechanisms and evaluate their joint dynamics. These models have long been regarded as difficult to parameterise, but an increased data availability and improved methods for data integration lessen this challenge. Hence, the goal of this thesis is to further develop process-based models, integrate them into a complete modelling workflow, and provide the tools and guidance for their successful application. 

With my thesis, I presented an integrated platform for spatially-explicit eco-evolutionary modelling and provided a workflow for their inverse calibration to observational data. In the first chapter, I introduced RangeShiftR, a software tool that implements an individual-based modelling platform for the statistical programming language R. Its open-source licensing, extensive help pages and available tutorials make it accessible to a wide audience. In the second chapter, I demonstrated a comprehensive workflow for the specification, calibration and validation of RangeShiftR by the example of the red kite in Switzerland.  The integration of heterogeneous data sources, such as literature and monitoring data, allowed to successfully calibrate the model. It was then used to make validated, spatio-temporal predictions of future red kite abundance. The presented workflow can be adopted to any study species if data is available. In the third chapter, I extended RangeShiftR to directly link demographic processes to climatic predictors. This allowed me to explore the climate-change responses of eight Swiss breeding birds in more detail. Specifically, the model could identify the most influential climatic predictors, delineate areas of projected demographic suitability, and attribute current population trends to contemporary climate change.

My work shows that the application of complex, process-based models in conservation-relevant contexts is feasible, utilising available tools and data. Such models can be successfully calibrated and outperform other currently used modelling approaches in terms of predictive accuracy. Their projections can be used to predict future abundances or to assess alternative conservation scenarios. They further improve our mechanistic understanding of niche and range dynamics under climate change. However, only fully mechanistic models, that include all relevant processes, allow to precisely disentangle the effects of single processes on observed abundances. In this respect, the RangeShiftR model still has potential for further extensions that implement missing influential processes, such as species interactions.

Dynamic, process-based models are needed to adequately model a dynamic reality. My work contributes towards the advancement, integration and dissemination of such models. This will facilitate numeric, model-based approaches for species assessments, generate ecological insights and strengthen the reliability of predictions on large spatial scales under changing conditions.
N2  - Arten sind an ihren jeweiligen Lebensraum angepasst, doch viele Lebensräume sind heute einem globalen Wandel unterworfen. Dieser äußert sich vor allem in Veränderungen von Landnutzung und Klima, welche durch menschliche Aktivitäten verursacht werden und ganze Ökosysteme in ihrem Gefüge stören können. Störungen der grundlegenden öko-evolutionären Prozesse können auf der Populationsebene in Form von veränderten Verbreitungsgebieten und Häufigkeitsmustern sichtbar werden. Hier werden die Auswirkungen des globalen Wandels auf eine Art oftmals zuerst beobachtet.

Um zu untersuchen, wie die Wirkung und Wechselwirkung der verschiedenen öko-evolutionären Prozesse die beobachteten Verbreitungs- und Häufigkeitsmuster erzeugen, und wie diese Prozesse wiederum von Umweltbedingungen beeinflusst werden, stellen räumlich explizite Modelle wirksame Instrumente dar. Sie beschreiben die ökologische Nische einer Art, also die Gesamtheit aller Umweltbedingungen, unter denen die Art fortbestehen kann. Die derzeit am häufigsten verwendeten Modelle stützen sich auf statische, korrelative Zusammenhänge, die zwischen bestimmten räumlichen Prädiktoren und den beobachteten Artverteilungen hergestellt werden. Allerdings werden dabei stationäre Bedingungen angenommen, was sie im Kontext des globalen Wandels ungeeignet macht. Deutlich besser geeignet sind prozessbasierte Modelle, welche explizite, algorithmische Repräsentationen von ökologischen Prozessen beinhalten und deren gemeinsame Dynamik berechnen. Solche Modelle galten lange Zeit als schwierig zu parametrisieren, doch die zunehmende Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten sowie die verbesserten Methoden zur Datenintegration machen ihre Verwendung zunehmend praktikabel. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese prozessbasierten Modelle weiterzuentwickeln, sie in umfassende Modellierungsabläufe einzubinden, sowie Software und Anleitungen für ihre erfolgreiche Anwendung verfügbar zu machen. 

In meiner Dissertation präsentiere ich eine integrierte Plattform für räumlich-explizite, öko-evolutionäre Modellierung und entwickle einen Arbeitsablauf für dessen inverse Kalibrierung an Beobachtungsdaten. Im ersten Kapitel stelle ich RangeShiftR vor: eine Software, die eine individuenbasierte Modellierungsplattform für die statistische Programmiersprache R implementiert. Durch die Open-Source-Lizenzierung, umfangreichen Hilfeseiten und online verfügbaren Tutorials ist RangeShiftR einem breiten Publikum zugänglich. Im zweiten Kapitel demonstriere ich einen vollständigen Modellierungsablauf am Beispiel des Rotmilans in der Schweiz, der die Spezifikation, Kalibrierung und Validierung von RangeShiftR umfasst.Durch die Integration heterogener Datenquellen, wie Literatur- und Monitoringdaten, konnte das Modell erfolgreich kalibriert werden. Damit konnten anschließend validierte, raum-zeitliche Vorhersagen über das Vorkommen des Rotmilans erstellt und die dafür relevanten Prozesse identifiziert werden. Der vorgestellte Arbeitsablauf kann auf andere Arten übertragen werden, sofern geeignete Daten verfügbar sind. Im dritten Kapitel habe ich RangeShiftR erweitert, sodass demografische Prozessraten direkt mit Klimavariablen verknüpft werden können. Dies ermöglichte es, die Reaktionen von acht Schweizer Brutvogelarten auf den Klimawandel genauer zu untersuchen. Insbesondere konnte das Modell die einflussreichsten klimatischen Faktoren identifizieren, demografisch geeignete Gebiete abgrenzen und aktuelle Populationstrends auf den bisherigen Klimawandel zurückführen.

Meine Arbeit zeigt, dass die Anwendung komplexer, prozessbasierter Modelle in naturschutzrelevanten Kontexten mit verfügbaren Daten möglich ist. Solche Modelle können erfolgreich kalibriert werden und andere, derzeit verwendete Modellierungsansätze in Bezug auf ihre Vorhersagegenauigkeit übertreffen. Ihre Projektionen können zur Vorhersage zukünftiger Artvorkommen und zur Einschätzung alternativer Naturschutzmaßnahmen verwendet werden. Sie verbessern außerdem unser mechanistisches Verständnis von Nischen- und Verbreitungsdynamiken unter dem Einfluss des Klimawandels. Jedoch ermöglichen nur vollständig prozessbasierte Modelle, die alle relevanten Prozesse vereinen, eine korrekte Aufschlüsselung der Auswirkungen einzelner Prozesse auf die beobachteten Abundanzen. In dieser Hinsicht hat das RangeShiftR-Modell noch Potenzial für Weiterentwicklungen, um fehlende, einflussreiche Prozesse hinzuzufügen, wie zum Beispiel die Interaktionen zwischen Arten.

Um eine dynamische Realität adäquat abbilden zu können, werden dynamische, prozessbasierte Modelle benötigt. Meine Arbeit leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung, Integration und Verbreitung solcher Modelle und stärkt somit die Anwendung numerischer, modellbasierter Methoden für die Bewertung des Zustands von Arten, die Untersuchung ökologischer Zusammenhänge und die Steigerung der Zuverlässigkeit von Vorhersagen auf großen räumlichen Skalen unter Umweltveränderungen.
T2  - Entwicklung einer integrierten Modellierungs-Plattform zur Vorhersage von Nischen- und Verbreitungs-dynamiken: Inverse Kalibrierung räumlich-expliziter öko-evolutionärer Modelle
KW  - species distribution modelling
KW  - Bayesian inference
KW  - individual-based modelling
KW  - range shifts
KW  - ecological modelling
KW  - population dynamics
KW  - Bayes'sche Inferenz
KW  - ökologische Modellierung
KW  - individuen-basierte Modellierung
KW  - Populationsdynamik
KW  - Arealverschiebungen
KW  - Artverbreitungsmodelle
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-602737
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kulshreshtha, Ritika
T1  - Dissecting the functional of role of microtubule and cellulose microfibril patterning during flower development in Arabidopsis
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Pandey, Yogesh
T1  - Enriched cell-free and cell-based native membrane derived vesicles (nMV) enabling rapid in-vitro electrophysiological analysis of the voltage-gated sodium channel 1.5.
JF  - Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes
N2  - Here, we demonstrate the utility of native membrane derived vesicles (nMVs) as tools for expeditious electrophysiological analysis of membrane proteins. We used a cell-free (CF) and a cell-based (CB) approach for preparing protein-enriched nMVs. We utilized the Chinese Hamster Ovary (CHO) lysate-based cell-free protein synthesis (CFPS) system to enrich ER-derived microsomes in the lysate with the primary human cardiac voltage-gated sodium channel 1.5 (hNaV1.5; SCN5A) in 3 h. Subsequently, CB-nMVs were isolated from fractions of nitrogen-cavitated CHO cells overexpressing the hNaV1.5. In an integrative approach, nMVs were micro-transplanted into Xenopus laevis oocytes. CB-nMVs expressed native lidocaine-sensitive hNaV1.5 currents within 24 h; CF-nMVs did not elicit any response. Both the CB- and CF-nMV preparations evoked single-channel activity on the planar lipid bilayer while retaining sensitivity to lidocaine application. Our findings suggest a high usability of the quick-synthesis CF-nMVs and maintenance-free CB-nMVs as ready-to-use tools for in-vitro analysis of electrogenic membrane proteins and large, voltage-gated ion channels.
KW  - Cell-free protein synthesis
KW  - Electrophysiology
KW  - Membrane proteins
KW  - Micro-translantation
KW  - Protein expression
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2023.184144
SN  - 1879-2642
SN  - 0005-2736
VL  - 1865
IS  - 5
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bastos Lima, Rita
T1  - Seed coat-derived brassnosteroids non-cell autonomously regulate endosperm development
Y1  - 2023
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  - Peng, Maolin
T1  - The role of prion-like domains in plant temperatur sensing
Y1  - 2023
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  - John, Sheeba
T1  - Characterizing the role of Heat Shock Factor HSFA 7b in regulating thermomemory at the SAM in Arabidopsis thaliana
N2  - Heat stress (HS) is one of the major abiotic stresses which adversely affects the survival and growth of plants due to their sessile nature. To combat the detrimental effects of HS and develop thermotolerance, plants have evolved several defense mechanisms. Thermomemory is one such molecular mechanism whereby plants that have been acclimated (or primed/P) by a moderate HS can respond more efficiently and continue their growth after exposure to a severe or lethal HS (called triggering/T), while unprimed plants cannot survive. Thermomemory is known to be regulated by several transcription factors (TFs), epigenetic changes, chromatin remodellers, post-transcriptional changes and it also involves protein stability control and primary metabolism adjustment. Recent research has suggested that the shoot apical meristem (SAM) in Arabidopsis thaliana has a distinct transcriptional thermomemory which is possibly regulated by eight TFs called HEAT SHOCK FACTORS (HSFs). The main objective of this PhD thesis is to investigate the role of HSFA7b (one of the eight HSFs), in regulating thermomemory at the SAM by identifying the molecular networks it regulates. HSFA7a, a close homolog of HSFA7b, is also one of the eight HSFs that are involved in regulating thermomemory at the SAM. Thermomemory was found to be defective in the hsfa7b and hsfa7a hsfa7b mutants; the percentage survival of these seedlings was significantly lower than in wild-type (WT) seedlings after the priming and triggering (PT) treatment. Transcriptome and ChIP analyses were performed to identify the molecular networks controlled by HSFA7b and its close homolog HSFA7a, in regulating thermomemory at the SAM. The chromatin regulator SPLAYED (SYD) was found to be regulated by both HSFA7a and HSFA7b at the SAM during thermomemory. SYD is directly involved in SAM maintenance by directly regulating WUSCHEL (WUS), a master regulator of stem cell maintenance. WUS expression was down-regulated at the SAM of PT treated hsfa7a/b mutants compared to WT-Col-0 seedlings. HSFA7a and HSFA7b also jointly regulate the expression of orphan gene QUA QUINE STARCH (QQS) during thermomemory. Starch accumulation negatively correlates with QQS expression and this trend was observed in WT plants in response to thermopriming. The remobilization of starch was affected in the hsfa7a/b mutants compared to WT plants during the recovery period after T treatment. These findings indicate that defects in SAM maintenance and starch remobilization could possibly contribute to the reduced thermomemory in the hsfa7a/b mutants. Moreover, transcriptome and ChIP analysis indicate that ethylene signaling genes are directly regulated by HSFA7b during thermomemory. Transcriptome analysis of the HSFA7b-IOE line indicates that HSFA7b positively regulates the expression of HEAT STRESS ASSOCIATED 32 (HSA32), an important thermomemory gene, and HSFA7b strongly suppresses the expression of the reactive oxygen species (ROS) responsive REDOX RESPONSIVE TRANSCRIPTION FACTOR 1 (RRTF1) gene, which is also a repressed target of SYD. In Arabidopsis, the HSFA7b transcript undergoes alternative splicing at high temperatures to form two splice variants: one correctly/constitutively spliced variant which is functional and codes for the HSFA7b protein and one intron retained splice variant. Higher accumulation of the functional HSFA7b splice variant was found at the SAM compared to other tissues. Moreover, accumulation of the functional splice variant was higher in P and PT plants compared to control plants, whereas higher levels of the intron retained splice variant is found in plants subjected directly to the T treatment. The intron retained HSFA7b splice variant is degraded by the non-sense mediated decay (NMD) pathway as a means of regulating transcript level essential for protein synthesis at high temperatures. Importantly, HSFA7b protein accumulation was observed in plants subjected to PT treatment that survive and continue growth, but not in plants subjected directly to T treatment that do not survive, indicating that constitutive/ correct splicing of the HSFA7b transcript is a component of thermomemory. Taken together, these findings suggest that HSFA7a and HSFA7b jointly regulate SAM maintenance via the chromatin remodeller SYD and starch remobilization via QQS. In addition to them, HSFA7b also regulates the expression of ethylene signaling genes, heat responsive genes and the ROS responsive RRTF1. Furthermore, constitutive/correct splicing in the HSFA7b transcript is also an essential component of thermomemory.
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Machani, Fridah Gechemba
T1  - Functional analysis of ATAF1 and ANAC032 NAC transcription factors in response to nitrogen Supply in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Romero Prada, Lorena Margarita
T1  - Crop improvement towards oxidative stress
Y1  - 2023
ER  - 
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  - Flores Castellanos, Junio
T1  - Potato tuber (Solanum tuberosum L. cv Desiree) — characterization of starch interacting proteins and maltodextrin metabolism
T1  - Kartoffelknolle (Solanum tuberosum L. cv Desiree) - Charakterisierung von Stärke-interagierenden Proteinen und Maltodextrin-Stoffwechsel
N2  - Starch is a biopolymer for which, despite its simple composition, understanding the precise mechanism behind its formation and regulation has been challenging. Several approaches and bioanalytical tools can be used to expand the knowledge on the different parts involved in the starch metabolism. In this sense, a comprehensive analysis targeting two of the main groups of molecules involved in this process: proteins, as effectors/regulators of the starch metabolism, and maltodextrins as starch components and degradation products, was conducted in this research work using potato plants (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) as model of study. On one side, proteins physically interacting to potato starch were isolated and analyzed through mass spectrometry and western blot for their identification. Alternatively, starch interacting proteins were explored in potato tubers from transgenic plants having antisense inhibition of starch-related enzymes and on tubers stored under variable environmental conditions. Most of the proteins recovered from the starch granules corresponded to previously described proteins having a specific role in the starch metabolic pathway. Another set of proteins could be grouped as protease inhibitors, which were found weakly interacting to starch. Variations in the protein profile obtained after electrophoresis separation became clear when tubers were stored under different temperatures, indicating a differential expression of proteins in response to changing environmental conditions.
On the other side, since maltodextrin metabolism is thought to be involved in both starch initiation and degradation, soluble maltooligosaccharide content in potato tubers was analyzed in this work under diverse experimental variables. For this, tuber disc samples from wild type and transgenic lines strongly repressing either the plastidial or cytosolic form of the -glucan phosphorylase and phosphoglucomutase were incubated with glucose, glucose-6-phosphate, and glucose-1-phosphate solutions to evaluate the influence of such enzymes on the conversion of the carbon sources into soluble maltodextrins, in comparison to wild-type samples. Relative maltodextrin amounts analyzed through capillary electrophoresis equipped with laser-induced fluorescence (CE-LIF) revealed that tuber discs could immediately uptake glucose-1-phosphate and use it to produce maltooligosaccharides with a degree of polymerization of up to 30 (DP30), in contrast to transgenic tubers with strong repression of the plastidial glucan phosphorylase. The results obtained from the maltodextrin analysis support previous indications that a specific transporter for glucose-1-phosphate may exist in both the plant cells and the plastidial membranes, thereby allowing a glucose-6-phosphate independent transport. Furthermore, it confirms that the plastidial glucan phosphorylase is responsible for producing longer maltooligosaccharides in the plastids by catalyzing a glucan polymerization reaction when glucose-1-phosphate is available. All these findings contribute to a better understanding of the role of the plastidial glucan phosphorylase as a key enzyme directly involved in the synthesis and degradation of glucans and their implication on starch metabolism.
N2  - Stärke ist ein Biopolymer, bei dem es trotz seiner einfachen Zusammensetzung schwierig ist, den genauen Mechanismus seiner Bildung und Regulierung zu verstehen. Verschiedene Ansätze und bioanalytische Instrumente können genutzt werden, um das Wissen über die verschiedenen am Stärkemetabolismus beteiligten Komponenten zu erweitern. In diesem Sinne wurde in dieser Forschungsarbeit eine umfassende Analyse durchgeführt, die auf zwei der wichtigsten Molekülgruppen abzielt, die an diesem Prozess beteiligt sind: Proteine als Effektoren/Regulatoren des Stärkestoffwechsels und Maltodextrine als Stärkebestandteile und Abbauprodukte, wobei Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) als Untersuchungsmodell dienten. Einerseits wurden Proteine, die physisch mit Kartoffelstärke interagieren, isoliert und mittels Massenspektrometrie und Western Blot analysiert, um sie zu identifizieren. Andererseits wurden die mit Stärke interagierenden Proteine in Kartoffelknollen von transgenen Pflanzen mit Antisense-Hemmung von stärkeverwandten Enzymen und in Knollen, die unter variablen Umweltbedingungen gelagert wurden, untersucht. Die meisten der aus den Stärkekörnchen gewonnenen Proteine entsprachen zuvor beschriebenen Proteinen, die eine spezifische Rolle im Stärkestoffwechselweg spielen. Eine andere Gruppe von Proteinen konnte als Proteaseinhibitoren gruppiert werden, die nur schwach mit der Stärke interagieren. Variationen im Proteinprofil nach der Elektrophorese-Trennung wurden deutlich, wenn die Knollen bei unterschiedlichen Temperaturen gelagert wurden, was auf eine unterschiedliche Expression von Proteinen als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen hindeutet.
Da man davon ausgeht, dass der Maltodextrin-Stoffwechsel sowohl an der Entstehung als auch am Abbau von Stärke beteiligt ist, wurde in dieser Arbeit der Gehalt an löslichen Maltooligosacchariden in Kartoffelknollen unter verschiedenen experimentellen Variablen analysiert. Zu diesem Zweck wurden Knollenscheibenproben von Wildtypen und transgenen Linien, die entweder die plastidiale oder die cytosolische Form der α-Glucanphosphorylase und Phosphoglucomutase stark unterdrücken, mit Glucose-, Glucose-6-Phosphat- und Glucose-1-Phosphat-Lösungen inkubiert, um den Einfluss dieser Enzyme auf die Umwandlung der Kohlenstoffquellen in lösliche Maltodextrine im Vergleich zu Wildtyp-Proben zu bewerten. Relative Maltodextrinmengen, die durch Kapillarelektrophorese mit laserinduzierter Fluoreszenz (CE-LIF) analysiert wurden, zeigten, dass die Knollenscheiben Glukose-1-Phosphat sofort aufnehmen und zur Herstellung von Maltooligosacchariden mit einem Polymerisationsgrad von bis zu 30 (DP30) verwenden konnten, im Gegensatz zu transgenen Knollen mit starker Unterdrückung der plastidialen Glukanphosphorylase. Die Ergebnisse der Maltodextrin-Analyse stützen frühere Hinweise darauf, dass ein spezifischer Transporter für Glucose-1-Phosphat sowohl in den Pflanzenzellen als auch in den plastidialen Membranen vorhanden sein könnte, was einen von Glucose-6-Phosphat unabhängigen Transport ermöglicht. Außerdem wird bestätigt, dass die plastidiale Glucanphosphorylase für die Herstellung längerer Maltooligosaccharide in den Plastiden verantwortlich ist, indem sie eine Glucanpolymerisationsreaktion katalysiert, wenn Glucose-1-Phosphat verfügbar ist. All diese Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Rolle der plastidialen Glucanphosphorylase als Schlüsselenzym bei, das direkt an der Synthese und dem Abbau von Glucanen und deren Auswirkungen auf den Stärkemetabolismus beteiligt ist.
KW  - Solanum tuberosum
KW  - potato
KW  - maltodextrin
KW  - starch
KW  - Stärke
KW  - Solanum tuberosum
KW  - Maltodextrin
KW  - Kartoffel
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615055
ER  - 
TY  - THES
A1  - Apriyanto, Ardha
T1  - Analysis of starch metabolism in source and sink tissue of plants
T1  - Analyse des Stärkestoffwechsels im Source und Sink Gewebe von Pflanzen
N2  - Starch is an essential biopolymer produced by plants. Starch can be made inside source tissue (such as leaves) and sink tissue (such as fruits and tubers). Nevertheless, understanding how starch metabolism is regulated in source and sink tissues is fundamental for improving crop production.

Despite recent advances in the understanding of starch and its metabolism, there is still a knowledge gap in the source and sink metabolism. Therefore, this study aimed to summarize the state of the art regarding starch structure and metabolism inside plants. In addition, this study aimed to elucidate the regulation of starch metabolism in the source tissue using the leaves of a model organism, Arabidopsis thaliana, and the sink tissue of oil palm (Elaeis guineensis) fruit as a commercial crop.

The research regarding the source tissue will focus on the effect of the blockage of starch degradation on the starch parameter in leaves, especially in those of A. thaliana, which lack both disproportionating enzyme 2 (DPE2) and plastidial glucan phosphorylase 1 (PHS1) (dpe2/phs1). The additional elimination of phosphoglucan water dikinase (PWD), starch excess 4 (SEX4), isoamylase 3 (ISA3), and disproportionating enzyme 1 (DPE1) in the dpe2/phs1 mutant background demonstrates the alteration of starch granule number per chloroplast. This study provides insights into the control mechanism of granule number regulation in the chloroplast.

The research regarding the sink tissue will emphasize the relationship between starch metabolism and the lipid metabolism pathway in oil palm fruits. This study was conducted to observe the alteration of starch parameters, metabolite abundance, and gene expression during oil palm fruit development with different oil yields. This study shows that starch and sucrose can be used as biomarkers for oil yield in oil palms. In addition, it is revealed that the enzyme isoforms related to starch metabolism influence the oil production in oil palm fruit.

Overall, this thesis presents novel information regarding starch metabolism in the source tissue of A.thaliana and the sink tissue of E.guineensis. The results shown in this thesis can be applied to many applications, such as modifying the starch parameter in other plants for specific needs.
N2  - Stärke ist ein unverzichtbares Biopolymer, das von Pflanzen sowohl in den Quellgeweben (sources, z. B. Blätter) als auch in den Senkengeweben (sinks, z. B. Früchten und Knollen) gebildet wird. Daher ist ein profundes Wissen über die Regulation des Stärkestoffwechsel in den source und sink Organen von grundlegender Bedeutung für die Verbesserung der Pflanzenproduktion.
Trotz der jüngsten Fortschritte im Verständnis des Stärkestoffwechsels bleiben weiterhin viele Fragen über den detaillierten source und sink Metabolismus offen. Ziel dieser Studie war es daher, den aktuellen Forschungsstand über die Struktur und den Stoffwechsel von Stärke in Pflanzen aufzuzeigen. Darüber hinaus sollte in dieser Studie die Regulierung des Stärkestoffwechsels in den Blättern (source) des Modellorganismus Arabidopsis thaliana und in den Ölpalmfrüchten (sink) von Elaeis guineensis, einer Nutzpflanze, aufgeklärt werden.
Die Analyse des source Gewebes konzentrierte sich dabei auf die Auswirkungen auf Stärkeparamter wie beispielsweise die Granulazahl durch die Blockierung des Stärkeabbaus in Blättern. Dazu wurde die Arabidopsis Mutante, der das cytosolische Disproportionating Enzym 2 (DPE2) und die plastidiale Glucanphosphorylase 1 (PHS1) fehlen (dpe2/phs1), untersucht. Ebenfalls wurden Dreifachmutanten im Hintergund von dpe2/phs1, denen Starch excess 4 (SEX4), Isoamylase 3, Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD) oder das Disproportionating Enzym 1 (DPE1) fehlen, erzeugt. Die Analyse zeigt, dass die Anzahl der Stärkegranula pro Chloroplast nicht festgelegt ist und während des gesamten Wachstums der Pflanze reguliert wird. Diese Daten liefern ein verbessertes Verständnis über die Komplexität der Kontrollmechanismen der Granulazahlregulation in Chloroplasten.
Die Untersuchung des sink Gewebes soll die Beziehung zwischen dem Stärkestoffwechsel und dem Lipidstoffwechselweg in Ölpalmenfrüchten verdeutlichen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Veränderung von Stärkeparametern, die Häufigkeit von Metaboliten und die Genexpression während der Entwicklung von Ölpalmenfrüchten mit unterschiedlichen Ölausbeuten zu erforschen. Die Analyse zeigt, dass sowohl Stärke als auch Saccharose als reliable Biomarker für den Ölertrag von Ölpalmen verwendet werden können. Darüber hinaus konnte bewiesen werden, dass die mit dem Stärkestoffwechsel verbundenen Enzymisoformen die Ölproduktion in Ölpalmenfrüchten beeinflussen.
Insgesamt liefert diese Arbeit neue Informationen über den Stärkestoffwechsel im source Gewebe von A.thaliana und im sink von E.guineensis. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse können für viele Anwendungen genutzt werden, z. B. für die Veränderung der Stärkeparameter in anderen Pflanzen für spezifische Bedürfnisse.
KW  - starch
KW  - oil palm
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - source and sink
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Palmöl
KW  - Source und Sink
KW  - Stärke
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hermanussen, Michael
A1  - Scheffler, Christiane
A1  - Pulungan, Aman B.
A1  - Bandyopadhyay, Arup Ratan
A1  - Ghosh, Jyoti Ratan
A1  - Özdemir, Ayşegül
A1  - Koca Özer, Başak
A1  - Musalek, Martin
A1  - Lebedeva, Lidia
A1  - Godina, Elena
A1  - Bogin, Barry
A1  - Tutkuviene, Janina
A1  - Budrytė, Milda
A1  - Gervickaite, Simona
A1  - Limony, Yehuda
A1  - Kirchengast, Sylvia
A1  - Buston, Peter
A1  - Groth, Detlef
A1  - Rösler, Antonia
A1  - Gasparatos, Nikolaos
A1  - Erofeev, Sergei
A1  - Novine, Masiar
A1  - Navazo, Bárbara
A1  - Dahinten, Silvia
A1  - Gomuła, Aleksandra
A1  - Nowak-Szczepańska, Natalia
A1  - Kozieł, Sławomir
T1  - Environment, social behavior, and growth
BT  - Proceedings of the 30th Aschauer Soiree, held at Krobielowice, Poland, June 18th 2022
JF  - Human biology and public health
N2  - Twenty-four scientists met for the annual Auxological conference held at Krobielowice castle, Poland, to discuss the diverse influences of the environment and of social behavior on growth following last year’s focus on growth and public health concerns (Hermanussen et al., 2022b). Growth and final body size exhibit marked plastic responses to ecological conditions. Among the shortest are the pygmoid people of Rampasasa, Flores, Indonesia, who still live under most secluded insular conditions. Genetics and nutrition are usually considered responsible for the poor growth in many parts of this world, but evidence is accumulating on the prominent impact of social embedding on child growth. Secular trends not only in the growth of height, but also in body proportions, accompany the secular changes in the social, economic and political conditions, with major influences on the emotional and educational circumstances under which the children grow up (Bogin, 2021). Aspects of developmental tempo and aspects of sports were discussed, and the impact of migration by the example of women from Bangladesh who grew up in the UK. Child growth was considered in particular from the point of view of strategic adjustments of individual size within the network of its social group. Theoretical considerations on network characteristics were presented and related to the evolutionary conservation of growth regulating hypothalamic neuropeptides that have been shown to link behavior and physical growth in the vertebrate species. New statistical approaches were presented for the evaluation of short term growth measurements that permit monitoring child growth at intervals of a few days and weeks.
KW  - St. Nicolas House Analysis
KW  - child growth
KW  - body proportions
KW  - social network
KW  - public health
KW  - migration
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2023.1.59
SN  - 2748-9957
VL  - 1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gasparatos, Nikolaos
A1  - Scheffler, Christiane
A1  - Hermanussen, Michael
T1  - Assessing the applicability of changepoint analysis to analyse short-term growth
JF  - Human biology and public health
N2  - Background: Assessing short-term growth in humans is still fraught with difficulties. Especially when looking for small variations and increments, such as mini growth spurts, high precision instruments or frequent measurements are necessary. Daily measurements however require a lot of effort, both for anthropologists and for the subjects. Therefore, new sophisticated approaches are needed that reduce fluctuations and reveal underlying patterns.

Objectives: Changepoints are abrupt variations in the properties of time series data. In the context of growth, such variations could be variation in mean height. By adjusting the variance and using different growth models, we assessed the ability of changepoint analysis to analyse short-term growth and detect mini growth spurts.

Sample and Methods: We performed Bayesian changepoint analysis on simulated growth data using the bcp package in R. Simulated growth patterns included stasis, linear growth, catch-up growth, and mini growth spurts. Specificity and a normalised variant of the Matthews correlation coefficient (MCC) were used to assess the algorithm’s performance. Welch’s t-test was used to compare differences of the mean.

Results: First results show that changepoint analysis can detect mini growth spurts. However, the ability to detect mini growth spurts is highly dependent on measurement error. Data preparation, such as ranking and rotating time series data, showed negligible improvements. Missing data was an issue and may affect the prediction quality of the classification metrics.

Conclusion: Changepoint analysis is a promising tool to analyse short-term growth. However, further optimisation and analysis of real growth data is needed to make broader generalisations.
KW  - changepoint analysis
KW  - changepoint detection
KW  - performance evaluation
KW  - mini growth spurt
KW  - short-term growth
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2023.1.62
SN  - 2748-9957
VL  - 1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Groth, Detlef
A1  - Scheffler, Christiane
A1  - Hermanussen, Michael
T1  - Human growth data analysis and statistics – the 5th Gülpe International Student Summer School
JF  - Human biology and public health
N2  - The Summer School in Gülpe (Ecological Station of the University of Potsdam) offers an exceptional learning opportunity for students to apply their knowledge and skills to real-world problems. With the guidance of experienced human biologists, statisticians, and programmers, students have the unique chance to analyze their own data and gain valuable insights. This interdisciplinary setting not only bridges different research areas but also leads to highly valuable outputs. The progress of students within just a few days is truly remarkable, especially when they are motivated and receive immediate feedback on their questions, problems, and results. The Summer School covers a wide range of topics, with this year’s focus mainly on two areas: understanding the impact of socioeconomic and physiological factors on human development and mastering statistical techniques for analyzing data such as changepoint analysis and the St. Nicolas House Analysis (SNHA) to visualize interacting variables. The latter technique, born out of the Summer School’s emphasis on gaining comprehensive data insights and understanding major relationships, has proven to be a valuable tool for researchers in the field. The articles in this special issue demonstrate that the Summer School in Gülpe stands as a testament to the power of practical learning and collaboration. Students who attend not only gain hands-on experience but also benefit from the expertise of professionals and the opportunity to engage with peers from diverse disciplines.
KW  - Summer Schools
KW  - Statistical Exercise
KW  - Repetition
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2023.1.70
SN  - 2748-9957
VL  - 1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Rösler, Antonia
A1  - Scheffler, Christiane
A1  - Hermanussen, Michael
T1  - No evidence of growth impairment after forced migration in Polish school children after World War II
JF  - Human biology and public health
N2  - Background: Migration is omnipresent. It can come hand in hand with emotional stress which is known to influence the growth of children.

Objective: The aim of this study was to analyse whether type of migration (forced or voluntary) and the geographic direction had influenced the growth of Polish children after World War II.

Sample and Methods: A sub dataset of 2,208 individuals between the ages of 2-20, created from data of the 2nd Polish Anthropological Survey carried out in 1966–1969, including anthropometrical data and social and demographic information based on questionnaire, was used to analyse migration effects.

Results: No association could be found between the direction of migration and the height of the children. The confidence intervals of the means of all classified migration categories overlap significantly and the effect size of the influence of migration category on height is ds=.140, which is too low to see any effects, even if there were one.

Conclusion: Neither forced nor voluntary migration in Poland after World War II led to a change in height in children of migrating families.
KW  - nutrition
KW  - stunting
KW  - socioeconomy
KW  - education
KW  - secular changes
KW  - pubertal timing
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2023.1.68
SN  - 2748-9957
VL  - 1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hermanussen, Michael
A1  - Scheffler, Christiane
T1  - Nutrition, size, and tempo
JF  - Human biology and public health
N2  - Nutrition is a prerequisite, but not a regulator of growth. Growth is defined as increase in size over time. The understanding of growth includes an understanding of the binary concept of physical time and individual tempo. Excess food causes tempo acceleration. Food restriction delays tempo. Tempo reflects the pace of life. It is a dynamic physical response to a broad spectrum of social, economic, political, and emotional (SEPE) factors and can affect life expectancy. Variations in tempo create distortions of the z-score patterns of height and weight. Illness or intermediate food shortage lead to intermediate halts in development and create short dips in the z-score patterns. Children who develop throughout life at delayed pace usually run at lower z-scores for height and weight, and show a characteristic adolescent trough; children who develop throughout life at faster than average pace usually run at higher z-scores and show a characteristic adolescent peak in their z-score patterns. During adolescence, almost half of the height variance is due to tempo variation. There is not one tempo for the whole body. Different organ systems grow and mature at different pace.
KW  - food access
KW  - physical time
KW  - SEPS factors
KW  - pace of life
KW  - catch-up-growth
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2022.3.37
SN  - 2748-9957
VL  - 2022
IS  - 3
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Scheffler, Christiane
A1  - Hermanussen, Michael
T1  - What does stunting tell us?
JF  - Human biology and public health
N2  - Stunting is commonly linked with undernutrition. Yet, already after World War I, German pediatricians questioned this link and stated that no association exists between nutrition and height. Recent analyses within different populations of Low- and middle-income countries with high rates of stunted children failed to support the assumption that stunted children have a low BMI and skinfold sickness as signs of severe caloric deficiency. So, stunting is not a synonym of malnutrition. Parental education level has a positive influence on body height in stunted populations, e.g., in India and in Indonesia. Socially disadvantaged children tend to be shorter and lighter than children from affluent families.
Humans are social mammals; they regulate growth similar to other social mammals. Also in humans, body height is strongly associated with the position within the social hierarchy, reflecting the personal and group-specific social, economic, political, and emotional environment. These non-nutritional impact factors on growth are summarized by the concept of SEPE (Social-Economic-Political-Emotional) factors. SEPE reflects on prestige, dominance-subordination, social identity, and ego motivation of individuals and social groups.
KW  - SEPE Factors
KW  - physical fitness
KW  - height in history
KW  - malnutrition
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2022.3.36
SN  - 2748-9957
VL  - 2022
IS  - 3
SP  - 1
EP  - 15
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bulut, Mustafa
T1  - Assessing the genetic architecture underlying systemic responses to variable environments in crops using multi-omics
N2  - Plant metabolism serves as the primary mechanism for converting assimilated carbon into essential compounds crucial for plant growth and ultimately, crop yield. This renders it a focal point of research with significant implications. Despite notable strides in comprehending the genetic principles underpinning metabolism and yield, there remains a dearth of knowledge regarding the genetic factors responsible for trait variation under varying environmental conditions. Given the burgeoning global population and the advancing challenges posed by climate change, unraveling the intricacies of metabolic and yield responses to water scarcity became increasingly important in safeguarding food security.

Our research group has recently started to work on the genetic resources of legume species. To this end, the study presented here investigates the metabolic diversity across five different legume species at a tissue level, identifying species-specific biosynthesis of alkaloids as well as iso-/flavonoids with diverse functional groups, namely prenylation, phenylacylation as well as methoxylation, to create a resource for follow up studies investigation the metabolic diversity in natural diverse populations of legume species.

Following this, the second study investigates the genetic architecture of drought-induced changes in a global common bean population. Here, a plethora of quantitative trait loci (QTL) associated with various traits are identified by performing genome-wide association studies (GWAS), including for lipid signaling. On this site, overexpression of candidates highlighted the induction of several oxylipins reported to be pivotal in coping with harsh environmental conditions such as water scarcity.

Diverging from the common bean and GWAS, the following study focuses on identifying drought-related QTL in tomato using a bi-parental breeding population. This descriptive study highlights novel multi-omic QTL, including metabolism, photosynthesis as well as fruit setting, some of which are uniquely assigned under drought. Compared to conventional approaches using the bi-parental IL population, the study presented improves the resolution by assessing further backcrossed ILs, named sub-ILs.

In the final study, a photosynthetic gene, namely a PetM subunit of the cytochrome b6f complex encoding gene, involved in electron flow is characterized in an horticultural important crop. While several advances have been made in model organisms, this study highlights the transition of this fundamental knowledge to horticultural important crops, such as tomato, and investigates its function under differing light conditions. Overall, the presented thesis combines different strategies in unveiling the genetic components in multi-omic traits under drought using conventional breeding populations as well as a diverse global population. To this end, it allows a comparison of either approach and highlights their strengths and weaknesses.
N2  - Der pflanzliche Stoffwechsel ist der wichtigste Mechanismus für die Umwandlung von assimiliertem Kohlenstoff in essenzielle Verbindungen, die für das Pflanzenwachstum und letztlich den Ernteertrag entscheidend sind. Dies macht ihn zu einem Schwerpunkt der Forschung mit erheblichen Auswirkungen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die dem Stoffwechsel und den Erträgen zugrunde liegen, gibt es nach wie vor einen Mangel an Wissen über die genetischen Faktoren, die für die Variation von Merkmalen unter verschiedenen Umweltbedingungen verantwortlich sind. In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung und der zunehmenden Herausforderungen durch den Klimawandel wird es immer wichtiger, die Feinheiten des Stoffwechsels und des Ertrags auf Wasserknappheit zu entschlüsseln, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten.

Unsere Forschungsgruppe hat vor kurzem damit begonnen, sich mit den genetischen Ressourcen von Leguminosen zu befassen. Zu diesem Zweck untersucht die hier vorgestellte Studie die Stoffwechselvielfalt bei fünf verschiedenen Leguminosen auf Gewebeebene und identifiziert die artspezifische Biosynthese von Alkaloiden sowie Iso-/Flavonoiden mit verschiedenen funktionellen Gruppen, nämlich Prenylierung, Phenylacylierung sowie Methoxylierung, um eine Ressource für Folgestudien zu schaffen, die die Stoffwechselvielfalt in verschiedenen natürlichen Populationen von Leguminosen untersuchen.

Im Anschluss daran wird in der zweiten Studie die genetische Architektur trockenheitsbedingter Veränderungen in einer globalen Bohnenpopulation untersucht. Hier wird eine Vielzahl von quantitativen Merkmalsloci (QTL) identifiziert, die mit verschiedenen Merkmalen assoziiert sind, darunter auch für die Lipidsignalübertragung, unter Durchführung genomweite Assoziationsstudien (GWAS). Die Überexpression von Kandidaten auf dieser Seite hat die Induktion mehrerer Oxylipine hervorgehoben, die Berichten zufolge für die Bewältigung rauer Umweltbedingungen wie Wasserknappheit von zentraler Bedeutung sind.

Abweichend von der Bohne und der GWAS konzentriert sich die folgende Studie auf die Identifizierung trockenheitsbezogener QTL bei der Tomate unter Verwendung einer bi-elterlichen Zuchtpopulation. Diese deskriptive Studie hebt neuartige multi-omische QTL hervor, einschließlich für Stoffwechsel, Photosynthese und Fruchtansatz, von denen einige eindeutig dem Dürre-Stress zugeordnet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, bei denen die bi-elterliche IL-Population verwendet wird, verbessert die vorgestellte Studie die Auflösung, indem weitere rückgekreuzte ILs, so genannte sub-ILs, untersucht werden.

In der letzten Studie wird ein photosynthetisches Gen, nämlich eine PetM-Untereinheit des Cytochrom b6fKomplexes, das am Elektronenfluss beteiligt ist, in einer für den Gartenbau wichtigen Pflanze charakterisiert. Während bei Modellorganismen bereits zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte erzielt wurden, beleuchtet diese Studie den Übergang dieses grundlegenden Wissens auf wichtige Gartenbaupflanzen wie die Tomate und untersucht ihre Funktion unter verschiedenen Lichtbedingungen.

Insgesamt werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Strategien kombiniert, um die genetischen Komponenten multi-omischer Merkmale bei Trockenheit aufzudecken, wobei sowohl konventionelle Zuchtpopulationen als auch eine vielfältige globale Population verwendet werden. Zu diesem Zweck ermöglicht sie einen Vergleich beider Ansätze und zeigt ihre Stärken und Schwächen auf.
KW  - genomics
KW  - metabolomics
KW  - phenomics
KW  - genome-wide association studies (GWAS)
KW  - genotype-by-Environmental interaction (GxE)
KW  - plasticity
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kappel, Sandrine
T1  - Photosynthesis in fluctuating light
BT  - pgr5 suppressor mutant screen : low NPQ mutant identification and characterization
N2  - Light is the essential energy source for plants to drive photosynthesis. In nature, light availability is highly variable and often fluctuates on very short time scales. As a result, plants developed mechanisms to cope with these fluctuations. Understanding how to improve light use efficiency in natural fluctuating light (FL) conditions is a major target for agronomy.

In the first project, we identified an Arabidopsis thaliana plant that showed reduced levels of rapidly inducible non-photochemical quenching (NPQ). This plant was devoid of any T-DNA insertion. Using a mapping-by-sequencing approach, we successfully located the causal genomic region near the end of chromosome 4. Through variant investigations in that region, we identified a deletion of about 20 kb encompassing 9 genes. By complementation analysis, we confirmed that one of the deleted genes, VTC2, is the causal gene responsible for the low NPQ. Loss of VTC2 decreased NPQ particularly in old leaves, with young leaves being only slightly affected. Additionally, ascorbate levels were almost abolished in old leaves, likely causing the NPQ decrease by reducing the activity of the xanthophyll cycle. Although ascorbate levels in younger leaves were reduced compared to wild-type plants, they remained at a comparably higher level. This difference may be due to the VTC2 paralog VTC5, which is expressed at a higher level in young leaves than in old ones.

Plants require the PROTON GRADIENT REGULATION 5 (PGR5) protein for survival in FL. pgr5 mutants die because they fail to increase the luminal proton concentration in response to high light (HL) phases. A rapid elevation in ∆pH is needed to slow down electron transport through the Cytochrome b6 f complex (photosynthetic control). In FL, such lack of control in the pgr5 mutants results in photosystem I (PSI) overreduction, reactive oxygen species (ROS) production, and cell death. Decreases in photosystem II (PSII) activity introduced by crossing pgr5 with PSII deficient mutants
rescued the lethality of pgr5 in FL. PGR5 was suggested to act as part of the ferredoxin-plastoquinone reductase (FQR), involved in cyclic electron transfer around PSI. However, the proposed molecular role of PGR5 remains highly debated. To learn more about PGR5 function, we performed a forward genetic screen in Arabidopsis thaliana to identify EMS-induced suppressor mutants surviving longer when grown in FL compared to pgr5 mutants (referred to as ”suppressor of pgr5 lethality in fluctuating light”, splf ). 11 different candidate genes were identified in a total of 22 splf plants.

Mutants of seven of these genes in the pgr5 background showed low Fv/Fm values when grown in non-fluctuating low light (LL). Five of these 4genes were previously reported to have a role in PSII biogenesis or function. Two others, RPH1 and a DEAD/DEAH box helicase (AT3G02060), have not been linked to PSII function before. Three of splf candidate genes link to primary metabolism, fructose-2,6-bisphosphatase (F2KP ), udp-glucose pyrophosphorylase 1 (UGP1 ) and ferredoxin-dependent glutamate synthase (Fd-GOGAT ). They are characterized by the fact that they survive longer in FL than pgr5 mutants but do not procede beyond the early vegetative
phase and then die.
N2  - Pflanzen wandeln Sonnenlicht durch die Photosynthese in chemische Energie um. In der Natur unterliegt die Verfügbarkeit von Licht jedoch starken Schwankungen, beispielsweise durch kurzzeitige Wolkenverdeckungen. Um mit diesen Veränderungen umzugehen, haben Pflanzen spezielle Mechanismen entwickelt. Das Verständnis, wie die Lichtnutzung unter diesen fluktuierenden Bedingungen optimiert werden kann, stellt eines der Hauptziele in der Landwirtschaft dar. Ziel dieser Arbeit ist es, zu diesem Verständnis beizutragen.

Wir haben eine neue Mutante der Ackerschmalwand identifiziert, die reduzierte Levels des schnell induzierbaren nicht-photochemischen Quenchings (NPQ) aufwies. NPQ ist ein wichtiger Mechanismus, mit dem Pflanzen auf schnelle Wechsel zu stärkerem Licht reagieren können. Die Untersuchung ergab, dass das Fehlen des Gens VTC2 die Ursache für die Reduzierung des NPQ war, mit Auswirkungen auf den Vitamin-C-Spiegel und die Aktivität des Xanthophyllzyklus. Besonders interessant war, dass der Verlust des Gens hauptsächlich ältere Blätter beeinflusste.

Das Gen PGR5 ist für das Überleben von Pflanzen in schwankenden Lichtverhältnissen notwendig. Obwohl viele wissenschaftliche Arbeiten diesem Gen gewidmet sind, sind seine genauen Funktionen nur im Ansatz bekannt. In unserer Studie haben wir Ackerschmalwand Pflanzen ohne dieses Gen mit Chemikalien mutagenisiert und sie dann in schwankenden Lichtverhältnissen wachsen lassen. Dabei konnten wir Suppressormutanten finden, die überlebt haben. Durch diese Herangehensweise haben wir 11 Kandidatengene identifiziert, die eine mögliche Verbindung zum PGR5-Mechanismus aufweisen könnten. Einige dieser Mutanten hemmen das Photosystem II, das für das Einfangen der Lichtenergie verantwortlich ist, während andere Teile den Primärmetabolismus für Zucker und Stickstoff verändern.

Zusammenfassend bietet die Arbeit Einsichten in die Mechanismen, mit denen Pflanzen auf schwankende Lichtbedingungen reagieren, und identifiziert spezifische Gene, die in diesen Prozessen eine Rolle spielen.
KW  - photosynthesis
KW  - fluctuating light
KW  - PGR5
KW  - suppressor mutant screen
KW  - low NPQ
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hake, Tim
A1  - Bodenberger, Bernhard
A1  - Groth, Detlef
T1  - In Python available: St. Nicolas House Algorithm (SNHA) with bootstrap support for improved performance in dense networks
JF  - Human biology and public health
N2  - The St. Nicolas House Algorithm (SNHA) finds association chains of direct dependent variables in a data set. The dependency is based on the correlation coefficient, which is visualized as an undirected graph. The network prediction is improved by a bootstrap routine. It enables the computation of the empirical p-value, which is used to evaluate the significance of the predicted edges. Synthetic data generated with the Monte Carlo method were used to firstly compare the Python package with the original R package, and secondly to evaluate the predicted network using the sensitivity, specificity, balanced classification rate and the Matthew's correlation coefficient (MCC). The Python implementation yields the same results as the R package. Hence, the algorithm was correctly ported into Python. The SNHA scores high specificity values for all tested graphs. For graphs with high edge densities, the other evaluation metrics decrease due to lower sensitivity, which could be partially improved by using bootstrap,while for graphs with low edge densities the algorithm achieves high evaluation scores. The empirical p-values indicated that the predicted edges indeed are significant.
KW  - Python
KW  - correlation
KW  - network reconstruction
KW  - bootstrap
KW  - St. Nicolas House Algorithm
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.52905/hbph2023.1.63
SN  - 2748-9957
VL  - 1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Glowinski, Ingrid
A1  - Autenrieth, Marijke
T1  - Eigene Forschung im Labor, um naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung kompetent unterrichten zu können?
BT  - Konzeption und Evaluation eines forschungsorientierten Seminars und Praktikums für Lehramtsstudierende im Fach Biologie
JF  - PSI-Potsdam: Ergebnisbericht zu den Aktivitäten im Rahmen der Qualitätsoffensive Lehrerbildung (2019-2023) (Potsdamer Beiträge zur Lehrerbildung und Bildungsforschung ; 3)
N2  - Im Rahmen des PSI-Projekts wurde eine Lehrveranstaltung konzipiert, die Lehramtsstudierenden einen vertieften Einblick sowohl in den Ablauf von Forschung als auch eine Bearbeitung einer eigenen experimentellen Forschungsaufgabe ermöglichen soll. Anlass waren die Berücksichtigung eines „Wissens über Erkenntnisgewinnung in der Disziplin“ im Modell des „Erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext“ (PSI) sowie Erkenntnisse empirischer Studien, die die Relevanz eigener Forschungserfahrung für das Unterrichten naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnungsprozesse zeigen. Hier stellen wir eine neue Lehrveranstaltung (4 SWS) vor, die den angehenden Lehrkräften Forschungserfahrung ermöglicht (Seminar und Praktikum). Die Lehrveranstaltung vermittelt Einblicke in Forschung und die „Natur der Naturwissenschaften“, ermöglicht das Durchführen eigener wissenschaftlicher und schulrelevanter Experimente und bietet eine angemessene Reflexion über die verschiedenen Kurselemente. Die Evaluationsergebnisse sind überwiegend positiv, zeigen aber auch, dass für die Studierenden die wahrgenommene Schulrelevanz und die fachdidaktischen Aspekte ein wichtiges Kriterium für die positive Bewertung sind.
N2  - As part of the PSI project, a new course was designed to give pre-service science teachers an in-depth insight into scientific research and to enable them to design their own scientific research experiment. Motivated by the consideration of “knowledge of scientific research processes” in the model of “extended content knowledge for the school context” (PSI) as well as by findings of empirical studies showing the relevance of own scientific research experiences for the competencies of pre-service science teachers concerning teaching about “Nature of Science” and “scientific inquiry” processes. Here we present a new course (4 hours/week) that provides pre-service science teachers with research experiences and knowledge about scientific research, integrated with aspects of pedagogical content knowledge (seminar and laboratory course). The course provides insights into scientific research and the “Nature of Science”, allows pre-service teachers to conduct their own scientific and school-relevant experiments, and provides appropriate reflection on the various course elements. The evaluation results are predominantly positive, but also show that for the pre-service science teachers the perceived school relevance and the aspects of pedagogical content knowledge are an important criterion for the positive evaluation.
KW  - Professionswissen
KW  - Erkenntnisgewinnung
KW  - Forschungsorientierung
KW  - Lehramtsstudium Biologie
KW  - „Natur der Naturwissenschaften“
KW  - pre-service teacher
KW  - professional knowledge
KW  - inquiry
KW  - nature of science
KW  - biology
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617922
SN  - 978-3-86956-568-2
SN  - 2626-3556
SN  - 2626-4722
IS  - 3
SP  - 273
EP  - 293
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hashemi Ranjbar, Seirana
T1  - Plasticity and trade-offs in plant metabolic networks
N2  - A biological trade-off situation denotes the dependence between traits whereby an increase in the value of one of the traits leads to a decrease in the value of at least one of the others. Understanding trade-offs in cellular systems is relevant to understanding the limits and constraints to tuning desired phenotypes. Therefore, it is mainly the case for rates (i.e. fluxes) of biochemical reactions that shape not only molecular traits, like metabolite concentrations but also determine physiological traits, like growth. Intracellular fluxes are the final phenotype from transcriptional and (post)translational regulation. Quantifying intracellular fluxes provides insights into cellular physiology under particular growth conditions and can be used to characterize the metabolic activity of different pathways. However, estimating fluxes from labelling experiments is labour-intensive; therefore, developing approaches to accurately and precisely predict intracellular fluxes is essential. This thesis addresses two main problems: (i) identifying flux trade-offs and (ii) predicting accurate and precise reaction flux at a genome-scale level. To this end, the concept of an absolute flux trade-off is defined, and a constraint-based approach, termed FluTO, was developed to identify absolute flux trade-offs. FluTO is cast as a mixed integer programming approach applied to genome-scale metabolic models of E. coli, S. cerevisiae, and A. thaliana, imposing realistic constraints on growth and nutrient uptake.. The findings showed that trade-offs are not only species-specific but also specific to carbon sources. In addition, we found that different models of a single species have a different number of reactions in trade-offs. We also showed that absolute flux trade-offs depend on the biomass reaction used to model the growth of A. thaliana under different carbon and nitrogen conditions. Findings reflect the strong relation between nitrogen, carbon, and sulphur metabolisms in the leaves of C3 plants. The concept of relative trade-offs was introduced to further study trade-offs in metabolic networks. A constraint-based approach, FluTOr, was proposed to identify reactions whose fluxes are in relative trade-off concerning an optimized fitness-related cellular task, like growth. FluTOr was employed to find the relative flux trade-offsin the genome-scale metabolic networks of E. coli, S. cerevisiae, and A. thaliana. The results showed that in contrast to the A. thaliana model, the relative trade-offs in the two microorganisms depend on the carbon source, reflecting the differences in the underlying metabolic network. Furthermore, applying FluTOr also showed that reactions that participated in relative trade-offs were implicated in cofactor biosynthesis in the two microorganisms. Prediction of reaction fluxes in the constraint-based metabolic framework is usually performed by parsimonious flux balance analysis (pFBA), employing the principle of efficient usage of protein resources. However, we argued that principles related to the coordination of flux values, neglected in previous studies, provide other means to predict intracellular fluxes. To this end, we designed a constraint-based approach, termed complex-balanced FBA (cbFBA), to predict steady-state flux distributions that maximize the number of balanced complexes in a flux distribution, whereby multi-reaction dependencies are maximized. The comparative analysis showed a better agreement of the flux distributions resulting from cbFBA compared to pFBA with experimentally measured fluxes from 17 E. coli strains and 26 S. cerevisiae knock-out mutants. The results also showed that the predictions from cbFBA are more precise than those from pFBA since cbFBA results in a smaller space of alternative solutions than pFBA.
N2  - Eine biologische Abwägungssituation bezeichnet die Abhängigkeit zwischen Merkmalen, wobei ein Anstieg des Wertes eines der Merkmale zu einer Abnahme des Wertes mindestens eines der anderen Merkmale führt. Das Verständnis von Abwägungen in zellulären Systemen ist relevant, um die Grenzen und Einschränkungen bei der Differenzierung gewünschter Phänotypen zu verstehen. Dieses ist häufig der Fall bei Fließgeschwindigkeiten (d.h. Ströme) biochemischer Reaktionen, die nicht nur molekulare Merkmale wie Metabolitkonzentrationen beschreiben, sondern auch physiologische Merkmale wie Wachstum bestimmen. Intrazelluläre Ströme sind der endgültige Phänotyp der transkriptionellen und (post)translationalen Regulation. Die Quantifizierung intrazellulärer Ströme liefert Einblicke in die Zellphysiologie unter bestimmten Wachstumsbedingungen und kann verwendet werden, um die Stoffwechselaktivität verschiedener Wege zu charakterisieren. Die Schätzung von Strömen aus Markierungsexperimenten ist jedoch arbeitsintensiv. Daher ist die Entwicklung von Ansätzen zur genauen und präzisen Vorhersage intrazellulärer Ströme unerlässlich. Diese Dissertation befasst sich mit zwei Hauptproblemen: (i) Identifizierung von Abwägungspunkten (Trade-offs) zwischen Strömen und (ii) Vorhersage des genauen und präzisen Reaktionsflusses auf Genomebene. Zu diesem Zweck wird das Konzept eines absoluten Trade-offs von Strömen definiert und ein Constraint-basierter Ansatz namens FluTO entwickelt, um absolute Trade-offs von Strömen zu identifizieren. FluTO ist als gemischter ganzzahliger Programmieransatz konzipiert, der auf genomweite Stoffwechselmodelle von E. coli, S. cerevisiae und A. thaliana angewendet wird und realistische Einschränkungen für Wachstum und Nährstoffaufnahme auferlegt. Die Ergebnisse zeigten, dass Trade-offs nicht nur artspezifisch, sondern auch spezifisch für Kohlenstoffquellen sind. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass verschiedene Modelle einer einzelnen Art eine unterschiedliche Anzahl von Reaktionen in Trade-offs aufweisen. Wir haben auch gezeigt, dass absolute Trade-offs von Strömen von der Biomassereaktion abhängen, die verwendet wird, um das Wachstum von A. thaliana unter verschiedenen Kohlenstoff- und Stickstoffbedingungen zu modellieren. Die Ergebnisse spiegeln die starke Beziehung zwischen dem Stickstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelstoffwechsel in den Blättern von C3-Pflanzen wieder. Das Konzept der relativen Trade-Offs wurde eingeführt, um Trade-Offs in metabolischen Netzwerken weiter zu untersuchen. Ein Constraint-basierter Ansatz, FluTOr, wurde entwickelt, um Reaktionen zu identifizieren, deren Ströme in einem relativen Trade-off bezüglich einer optimierten fitnessbezogenen zellulären Aufgabe wie Wachstum stehen. FluTOr wurde eingesetzt, um die relativen Trade-offs von Strömen in den metabolischen Netzwerken von E. coli, S. cerevisiae und A. thaliana auf Genomebene zu finden. Die Ergebnisse zeigten, dass im Gegensatz zum A. Thaliana Modell die relativen Trade-offs in den beiden Mikroorganismen von der Kohlenstoffquelle abhängen, was die Unterschiede im zugrunde liegenden metabolischen Netzwerk wiederspiegelt. Darüber hinaus zeigte die Anwendung von FluTOr auch, dass Reaktionen, die an relativen Trade-offs teilnahmen, an der Cofaktor-Biosynthese in den beiden Mikroorganismen beteiligt waren. Die Vorhersage von Reaktionsflüssen mittels Constraint-basierten metabolischen Methoden wird normalerweise durch eine überschaubare Flussbilanzanalyse (pFBA) durchgeführt, die das Prinzip der effizienten Nutzung von Proteinressourcen anwendet. Wir argumentierten jedoch, dass Prinzipien im Zusammenhang mit der Koordination von Flusswerten, die in früheren Studien vernachlässigt wurden, andere Mittel zur Vorhersage intrazellulärer Ströme bieten. Zu diesem Zweck haben wir einen Constraint-basierten Ansatz entwickelt, der als Complex-Balanced FBA (cbFBA) bezeichnet wird, um Steady-State-Verteilungen von Strömen vorherzusagen, die die Anzahl der ausgewogenen Komplexe in einer Verteilung von Strömen maximieren, wodurch Abhängigkeiten von mehreren Reaktionen maximiert werden. Die vergleichende Analyse zeigte eine bessere Übereinstimmung der Verteilungen von Strömen, die sich aus cbFBA im Vergleich zu pFBA ergaben, mit experimentell gemessenen Strömen von 17 E. coli Stämmen und 26 S. cerevisiae Knock-out-Mutanten. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Vorhersagen von cbFBA genauer sind als die von pFBA, da cbFBA zu weniger alternativen Lösungen führt als pFBA.
T2  - Plastizität und Kompromisse in pflanzlichen Stoffwechselnetzwerken
KW  - trade-off
KW  - cbFBA
KW  - metabolic network
KW  - balanced complex
KW  - reaction rate
KW  - Kompromiss
KW  - cbFBA
KW  - metabolisches Netzwerk
KW  - ausgewogener Komplex
KW  - Reaktionsgeschwindigkeit
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Courtin, Jérémy
T1  - Biodiversity changes in Siberia between quaternary glacial and interglacial stages
T1  - Veränderungen der Biodiversität in Sibirien zwischen Quartären Glazial- und Interglazialphasen
BT  - exploring the potential of sedaDNA
BT  - das Potenzial von sedaDNA erforschen
N2  - Der vom Menschen verursachte Klimawandel wirkt sich auf die biologische Vielfalt der Erde und damit auf die Ökosysteme und ihre Leistungen aus. Die Ökosysteme in den hohen Breitengraden sind aufgrund der verstärkten Erwärmung an den Polen noch stärker betroffen als der Rest der nördlichen Hemisphäre. Dennoch ist es schwierig, die Dynamik von Ökosystemen in den hohen Breitengraden vorherzusagen, da die Wechselwirkungen zwischen abiotischen und biotischen Komponenten sehr komplex sind. Da die Vergangenheit der Schlüssel zur Zukunft ist, ist die Interpretation vergangener ökologischer Veränderungen möglich, um laufende Prozesse besser zu verstehen. Im Quartär durchlief das Pleistozän mehrere glaziale und interglaziale Phasen, welche die Ökosysteme der Vergangenheit beeinflussten. Während des letzten Glazials bedeckte die pleistozäne Steppentundra den größten Teil der unvergletscherten nördlichen Hemisphäre und verschwand parallel zum Aussterben der Megafauna am Übergang zum Holozän (vor etwa 11 700 Jahren). Der Ursprung des Rückgangs der Steppentundra ist nicht gut erforscht, und die Kenntnis über die Mechanismen, die zu den Veränderungen in den vergangenen Lebensgemeinschaften und Ökosystemen geführt haben, ist von hoher Priorität, da sie wahrscheinlich mit denen vergleichbar sind, die sich auf moderne Ökosysteme auswirken. Durch die Entnahme von See- oder Permafrostkernsedimenten kann die vergangene Artenvielfalt an den Übergängen zwischen Eis- und Zwischeneiszeiten untersucht werden. Sibirien und Beringia waren der Ursprung der Ausbreitung der Steppentundra, weshalb die Untersuchung dieses Gebiets hohe Priorität hat. Bis vor kurzem waren Makrofossilien und Pollen die gängigsten Methoden. Sie dienen der Rekonstruktion vergangener Veränderungen in der Zusammensetzung der Bevölkerung, haben aber ihre Grenzen und Schwächen. Seit Ende des 20. Jahrhunderts kann auch sedimentäre alte DNA (sedaDNA) untersucht werden. Mein Hauptziel war es, durch den Einsatz von sedaDNA-Ansätzen wissenschaftliche Beweise für Veränderungen in der Zusammensetzung und Vielfalt der Ökosysteme der nördlichen Hemisphäre am Übergang zwischen den quartären Eiszeiten und Zwischeneiszeiten zu liefern.
In dieser Arbeit liefere ich Momentaufnahmen ganzer alter Ökosysteme und beschreibe die Veränderungen in der Zusammensetzung zwischen Quartärglazialen und Interglazialen und bestätige die Vegetationszusammensetzung sowie die räumlichen und zeitlichen Grenzen der pleistozänen Steppentundra. Ich stelle einen allgemeinen Verlust der Pflanzenvielfalt fest, wobei das Aussterben der Pflanzen parallel zum Aussterben der Megafauna verlief. Ich zeige auf, wie der Verlust der biotischen Widerstandsfähigkeit zum Zusammenbruch eines zuvor gut etablierten Systems führte, und diskutiere meine Ergebnisse im Hinblick auf den laufenden Klimawandel. Mit weiteren Arbeiten zur Eingrenzung von Verzerrungen und Grenzen kann sedaDNA parallel zu den etablierteren Makrofossilien- und Pollenansätzen verwendet werden oder diese sogar ersetzen, da meine Ergebnisse die Robustheit und das Potenzial von sedaDNA zur Beantwortung neuer paläoökologischer Fragen wie Veränderungen der Pflanzenvielfalt und -verluste belegen und Momentaufnahmen ganzer alter Biota liefern.
N2  - Climate change of anthropogenic origin is affecting Earth’s biodiversity and therefore ecosystems and their services. High latitude ecosystems are even more impacted than the rest of Northern Hemisphere because of the amplified polar warming. Still, it is challenging to predict the dynamics of high latitude ecosystems because of complex interaction between abiotic and biotic components. As the past is the key to the future, the interpretation of past ecological changes to better understand ongoing processes is possible. In the Quaternary, the Pleistocene experienced several glacial and interglacial stages that affected past ecosystems. During the last Glacial, the Pleistocene steppe-tundra was covering most of unglaciated northern hemisphere and disappeared in parallel to the megafauna’s extinction at the transition to the Holocene (~11,700 years ago). The origin of the steppe-tundra decline is not well understood and knowledge on the mechanisms, which caused shifts in past communities and ecosystems, is of high priority as they are likely comparable to those affecting modern ecosystems. Lake or permafrost core sediments can be retrieved to investigate past biodiversity at transitions between glacial and interglacial stages. Siberia and Beringia were the origin of dispersal of the steppe-tundra, which make investigation this area of high priority. Until recently, macrofossils and pollen were the most common approaches. They are designed to reconstruct past composition changes but have limit and biases. Since the end of the 20th century, sedimentary ancient DNA (sedaDNA) can also be investigated. My main objectives were, by using sedaDNA approaches to provide scientific evidence of compositional and diversity changes in the Northern Hemisphere ecosystems at the transition between Quaternary glacial and interglacial stages.
In this thesis, I provide snapshots of entire ancient ecosystems and describe compositional changes between Quaternary glacial and interglacial stages, and confirm the vegetation composition and the spatial and temporal boundaries of the Pleistocene steppe-tundra. I identify a general loss of plant diversity with extinction events happening in parallel of megafauna’ extinction. I demonstrate how loss of biotic resilience led to the collapse of a previously well-established system and discuss my results in regards to the ongoing climate change. With further work to constrain biases and limits, sedaDNA can be used in parallel or even replace the more established macrofossils and pollen approaches as my results support the robustness and potential of sedaDNA to answer new palaeoecological questions such as plant diversity changes, loss and provide snapshots of entire ancient biota.
KW  - sedaDNA
KW  - pleistocene
KW  - paleoecology
KW  - climate change
KW  - holocene
KW  - Siberia
KW  - sedaDNA
KW  - Pleistozän
KW  - Paläoökologie
KW  - Holozän
KW  - Klimawandel
KW  - Sibirien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-595847
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sarlet, Adrien
T1  - Tuning the viscoelasticity of Escherichia coli biofilms
T1  - Abstimmung der Viskoelastizität von Escherichia coli-Biofilmen
BT  - interplay between extrinsic and intrinsic factors
BT  - Wechselspiel zwischen extrinsischen und intrinsischen Faktoren
N2  - Biofilms are heterogeneous structures made of microorganisms embedded in a self-secreted extracellular matrix. Recently, biofilms have been studied as sustainable living materials with a focus on the tuning of their mechanical properties. One way of doing so is to use metal ions. In particular biofilms have been shown to stiffen in presence of some metal cations and to soften in presence of others. However, the specificity and the determinants of those interactions vary between species. While Escherichia coli is a widely studied model organism, little is known concerning the response of its biofilms to metal ions. In this work, we aimed at tuning the mechanics of E. coli biofilms by acting on the interplay between matrix composition and metal cations. To do so, we worked with E. coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres or phosphoethanolamine-cellulose (pEtN-cellulose) fibres or both. The viscoelastic behaviour of the resulting biofilms was investigated with rheology after incubation with one of the following metal ion solutions: FeCl3, AlCl3, ZnCl2 and CaCl2 or ultrapure water. We observed that the strain producing both fibres stiffen by a factor of two when exposed to the trivalent metal cations Al(III) and Fe(III) while no such response is observed for the bivalent cations Zn(II) and Ca(II). Strains producing only one matrix component did not show any stiffening in response to either cation, but even a small softening. In order to investigate further the contribution of each matrix component to the mechanical properties, we introduced additional bacterial strains producing curli fibres in combination with non-modified cellulose, non-modified cellulose only or neither component. We measured biofilms produced by those different strains with rheology and without any solution. Since rheology does not preserve the architecture of the matrix, we compared those results to the mechanical properties of biofilms probed with the non-destructive microindentation. The microindentation results showed that biofilm stiffness is mainly determined by the presence of curli amyloid fibres in the matrix. However, this clear distinction between biofilm matrices containing or not containing curli is absent from the rheology results, i.e. following partial destruction of the matrix architecture. In addition, rheology also indicated a negative impact of curli on biofilm yield stress and flow stress. This suggests that curli fibres are more brittle and therefore more affected by the mechanical treatments. Finally, to examine the molecular interactions between the biofilms and the metal cations, we used Attenuated total reflectance - Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to study the three E.coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres, pEtN-cellulose fibres or both. We measured biofilms produced by those strains in presence of each of the aforementioned metal cation solutions or ultrapure water. We showed that the three strains cannot be distinguished based on their FTIR spectra and that metal cations seem to have a non-specific effect on bacterial membranes in absence of pEtN-cellulose. We subsequently conducted similar experiments on purified curli or pEtN-cellulose fibres. The spectra of the pEtN-cellulose fibres revealed a non-valence-specific interaction between metal cations and the phosphate of the pEtN-modification. Altogether, these results demonstrate that the mechanical properties of E. coli biofilms can be tuned via incubation with metal ions. While the mechanism involving curli fibres remains to be determined, metal cations seem to adsorb onto pEtN-cellulose and this is not valence-specific. This work also underlines the importance of matrix architecture to biofilm mechanics and emphasises the specificity of each matrix composition.
N2  - Biofilme sind heterogene Strukturen aus Mikroorganismen, die in eine selbst-abgesonderte extrazelluläre Matrix eingebettet sind. In letzter Zeit wurden Biofilme als nachhaltige lebende Materialien untersucht, mit dem Ziel ihre mechanischen Eigenschaften zu modifizieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung von Metallionen. Es hat sich gezeigt, dass Biofilme in Gegenwart einiger Metallkationen steifer und in Gegenwart anderer weicher werden. Die Spezifität und die Bestimmungsfaktoren dieser Wechselwirkungen sind jedoch je nach Spezies unterschiedlich. Obwohl Escherichia coli ein weithin untersuchter Modellorganismus ist, ist wenig über den Einfluss von Metallionen auf die Eigenschaften von E. coli-Biofilmen bekannt. Ziel dieser Arbeit war, die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Beeinflussung des Zusammenspiels von Matrixzusammensetzung und Metallkationen zu untersuchen und zu verändern. Zu diesem Zweck wurden E. coli-Stämme verwendet, die eine Matrix aus Curli-Fasern oder Phosphoethanolamin-modifizierter Zellulose (pEtN-Zellulose) oder aus beiden produzieren. Das viskoelastische Verhalten der resultierenden Biofilme wurde nach Inkubation mit einer der folgenden Metallsalzlösungen (oder Reinstwasser) rheologisch untersucht: FeCl3, AlCl3, ZnCl2 und CaCl2. Es zeigte sich, dass die Steifigkeit von Biofilmen des Stammes, der beide Fasern produziert, um das Doppelte höher ist, wenn sie den dreiwertigen Metallkationen Al(III) und Fe(III) ausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu konnte keine derartige Veränderung der Steifigkeit beobachtet werden, wenn stattdessen die zweiwertigen Kationen Zn(II) und Ca(II) zugesetzt wurden. Stämme, die nur eine Matrixkomponente produzieren, zeigten keine Versteifung in Gegenwart von Kationen, sondern sogar eine geringe Erweichung. Um den Beitrag der einzelnen Matrixkomponenten zu den mechanischen Eigenschaften weiter zu untersuchen, wurden weitere Bakterienstämme mit den bereits genannten verglichen. Diese Stämme produzieren entweder Curli-Fasern in Kombination mit nicht modifizierter Zellulose, ausschließlich nicht modifizierte Zellulose oder keine der beiden Komponenten. Die resultierenden Biofilme wurden ohne den Zusatz von Salzlösung rheologisch charakterisiert. Da die Matrixarchitektur bei Rheologiemessungen zerstört wird, wurden die Biofilme ebenfalls mit Mikroindentation untersucht, welche mit intakten Biofilmen durchgeführt werden kann. Die Ergebnisse der Mikroindentation zeigen, dass die Steifigkeit der Biofilme hauptsächlich durch das Vorhandensein von Curli-Fasern bestimmt wird. Diese klare Unterscheidung der mechanischen Eigenschaften zwischen Biofilmmatrices mit und ohne Curli ist jedoch in den rheologischen Ergebnissen nicht erkennbar, d. h. nach teilweiser Zerstörung der Matrixarchitektur. Darüber hinaus zeigte die Rheologie eine niedrigere Fließspannung für Biofilme, die Curli enthalten. In der Kombination deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Curli-Fasern spröder und daher stärker von der mechanischen Behandlung betroffen sind. Um die molekularen Wechselwirkungen zwischen der Biofilm-Matrix und Metallkationen zu untersuchen, wurden die drei E. coli-Stämme, die eine Matrix aus Curli-Fasern, pEtN-Zellulose oder beidem bilden, mit abgeschwächter Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (ATR-FTIR) charakterisiert. Die von diesen Stämmen produzierten Biofilme wurden in Gegenwart jeder der oben genannten Metallsalzlösungen und in Reinstwasser untersucht. Es wurde gezeigt, dass die drei Stämme anhand ihrer FTIR-Spektren nicht unterschieden werden können und dass in Abwesenheit von pEtN-Zellulose eine mögliche unspezifische Wirkung auf bakterielle Membranen besteht. Ähnliche Experimente mit gereinigten Curli-Fasern oder pEtN-Zellulose deuten darauf hin, dass Metallkationen in erster Linie eine nicht-valenzspezifische Wechselwirkung mit der Phosphatgruppe der pEtN-Modifikation eingehen. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Inkubation mit Metallkationen modifiziert werden können. Während die Mechanismen, an denen Curli-Fasern beteiligt sind, noch nicht aufgeklärt sind, scheinen Metallkationen an pEtN-Zellulose zu adsorbieren. Diese Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der Matrixarchitektur für die Mechanik von Biofilmen und verdeutlicht die Wichtigkeit der jeweiligen Matrixzusammensetzung für die Spezifität und das Ausmaß der beobachteten Effekte.
KW  - E. coli
KW  - biofilm
KW  - metal cation
KW  - matrix
KW  - viscoelasticity
KW  - E. coli
KW  - Biofilm
KW  - Metallkation
KW  - Matrix
KW  - Viskoelastizität
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Xu, Ying
T1  - Study on transport mechanism of m5C-edited mRNAs
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Reeg, Jette
A1  - Strigl, Lea
A1  - Jeltsch, Florian
T1  - Agricultural buffer zone thresholds to safeguard functional bee diversity
BT  - Insights from a community modeling approach
JF  - Ecology and Evolution
N2  - Wild bee species are important pollinators in agricultural landscapes. However, population decline was reported over the last decades and is still ongoing. While agricultural intensification is a major driver of the rapid loss of pollinating species, transition zones between arable fields and forest or grassland patches, i.e., agricultural buffer zones, are frequently mentioned as suitable mitigation measures to support wild bee populations and other pollinator species. Despite the reported general positive effect, it remains unclear which amount of buffer zones is needed to ensure a sustainable and permanent impact for enhancing bee diversity and abundance. To address this question at a pollinator community level, we implemented a process-based, spatially explicit simulation model of functional bee diversity dynamics in an agricultural landscape. More specifically, we introduced a variable amount of agricultural buffer zones (ABZs) at the transition of arable to grassland, or arable to forest patches to analyze the impact on bee functional diversity and functional richness. We focused our study on solitary bees in a typical agricultural area in the Northeast of Germany. Our results showed positive effects with at least 25% of virtually implemented agricultural buffer zones. However, higher amounts of ABZs of at least 75% should be considered to ensure a sufficient increase in Shannon diversity and decrease in quasi-extinction risks. These high amounts of ABZs represent effective conservation measures to safeguard the stability of pollination services provided by solitary bee species. As the model structure can be easily adapted to other mobile species in agricultural landscapes, our community approach offers the chance to compare the effectiveness of conservation measures also for other pollinator communities in future.
KW  - agricultural landscape
KW  - buffer zones
KW  - community model
KW  - functional traits
KW  - solitary bees
KW  - spatially explicit
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1002/ece3.8748
SN  - 2045-7758
VL  - 12
SP  - 1
EP  - 17
PB  - Wiley Online Library
CY  - Hoboken, New Jersey, USA
ET  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kaunath, Vera
A1  - Eccard, Jana
T1  - Light Attraction in Carabid Beetles
BT  - Comparison Among Animals From the Inner City and a Dark Sky Reserve
JF  - Frontiers in Ecology and Evolution
N2  - Artificial light at night (ALAN) is altering the behaviour of nocturnal animals in a manifold of ways. Nocturnal invertebrates are particularly affected, due to their fatal attraction to ALAN. This selective pressure has the potential to reduce the strength of the flight-to-light response in insects, as shown recently in a moth species. Here we investigated light attraction of ground beetles (Coleoptera: Carabidae).We compared among animals (three genera) from a highly light polluted (HLP) grassland in the centre of Berlin and animals collected at a low-polluted area in a Dark Sky Reserve (DSR), captured using odour bait. In an arena setting tested at night time, HLP beetles (n = 75 across all genera) showed a reduced attraction towards ALAN. Tested during daytime, HLP beetles were less active in an open field test (measured as latency to start moving), compared to DSR (n = 143). However, we did not observe a reduced attraction towards ALAN within the species most common at both sides, Calathus fuscipes (HLP = 37, DSR = 118 individuals) indicating that not all species may be equally affected by ALAN. Reduced attraction to ALAN in urban beetles may either be a result of phenotypic selection in each generation removing HLP individuals that are attracted to light, or an indication for ongoing evolutionary differentiation among city and rural populations in their light response. Reduced attraction to light sources may directly enhance survival and reproductive success of urban individuals. However, decrease in mobility may negatively influence dispersal, reproduction and foraging success, highlighting the selective pressure that light pollution may have on fitness, by shaping and modifying the behaviour of insects.
KW  - light pollution
KW  - artificial light at night (ALAN)
KW  - Carabidae beetles
KW  - environmental change
KW  - Illuminance
KW  - solar powered light-emitting diode
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/fevo.2022.751288
SN  - 2296-701X
N1  - VK and JE designed the experimental set up and research question. VK performed the animal trapping, experiments and hence, data collection, and organizing of the database. Both authors performed the statistical analyses and contributed to discussion, manuscript revision, read, and approved the submitted version.
VL  - 10
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne, Schweiz
ER  - 
TY  - THES
A1  - Omranian, Sara
T1  - Novel algorithms for prediction of protein complexes from protein-protein interacton networks
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tiedemann, Kim
A1  - Iobbi-Nivol, Chantal
A1  - Leimkühler, Silke
T1  - The Role of the Nucleotides in the Insertion of the bis-Molybdopterin Guanine Dinucleotide Cofactor into apo-Molybdoenzymes
JF  - Molecules
N2  - The role of the GMP nucleotides of the bis-molybdopterin guanine dinucleotide (bis-MGD) cofactor of the DMSO reductase family has long been a subject of discussion. The recent characterization of the bis-molybdopterin (bis-Mo-MPT) cofactor present in the E. coli YdhV protein, which differs from bis-MGD solely by the absence of the nucleotides, now enables studying the role of the nucleotides of bis-MGD and bis-MPT cofactors in Moco insertion and the activity of molybdoenzymes in direct comparison. Using the well-known E. coli TMAO reductase TorA as a model enzyme for cofactor insertion, we were able to show that the GMP nucleotides of bis-MGD are crucial for the insertion of the bis-MGD cofactor into apo-TorA.
KW  - bis-MGD
KW  - chaperone
KW  - molybdenum cofactor
KW  - TMAO reductase
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/molecules27092993
SN  - 1420-3049
VL  - 27
SP  - 1
EP  - 15
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 9
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Weithoff, Guntram
A1  - Bell, Elanor Margaret
T1  - Complex Trophic Interactions in an Acidophilic Microbial Community
JF  - Microorganisms
N2  - Extreme habitats often harbor specific communities that differ substantially from non-extreme habitats. In many cases, these communities are characterized by archaea, bacteria and protists, whereas the number of species of metazoa and higher plants is relatively low. In extremely acidic habitats, mostly prokaryotes and protists thrive, and only very few metazoa thrive, for example, rotifers. Since many studies have investigated the physiology and ecology of individual species, there is still a gap in research on direct, trophic interactions among extremophiles. To fill this gap, we experimentally studied the trophic interactions between a predatory protist (Actinophrys sol, Heliozoa) and its prey, the rotifers Elosa woralli and Cephalodella sp., the ciliate Urosomoida sp. and the mixotrophic protist Chlamydomonas acidophila (a green phytoflagellate, Chlorophyta). We found substantial predation pressure on all animal prey. High densities of Chlamydomonas acidophila reduced the predation impact on the rotifers by interfering with the feeding behaviour of A. sol. These trophic relations represent a natural case of intraguild predation, with Chlamydomonas acidophila being the common prey and the rotifers/ciliate and A. sol being the intraguild prey and predator, respectively. We further studied this intraguild predation along a resource gradient using Cephalodella sp. as the intraguild prey. The interactions among the three species led to an increase in relative rotifer abundance with increasing resource (Chlamydomonas) densities. By applying a series of laboratory experiments, we revealed the complexity of trophic interactions within a natural extremophilic community.
KW  - acid mine drainage
KW  - extremophiles
KW  - food web
KW  - heliozoa
KW  - intraguild predation
KW  - mining lakes
KW  - Rotifera
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/microorganisms10071340
SN  - 2076-2607
VL  - 10
SP  - 1
EP  - 10
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 7
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Mitic, Kristina
A1  - Grafe, Marianne
A1  - Batsios, Petros
A1  - Meyer, Irene
T1  - Partial Disassembly of the Nuclear Pore Complex Proteins during Semi-Closed Mitosis in Dictyostelium discoideum
JF  - Cells
N2  - Dictyostelium cells undergo a semi-closed mitosis, during which the nuclear envelope (NE) persists; however, free diffusion between the cytoplasm and the nucleus takes place. To permit the formation of the mitotic spindle, the nuclear envelope must be permeabilized in order to allow diffusion of tubulin dimers and spindle assembly factors into the nucleus. In Aspergillus, free diffusion of proteins between the cytoplasm and the nucleus is achieved by a partial disassembly of the nuclear pore complexes (NPCs) prior to spindle assembly. In order to determine whether this is also the case in Dictyostelium, we analysed components of the NPC by immunofluorescence microscopy and live cell imaging and studied their behaviour during interphase and mitosis. We observed that the NPCs are absent from the contact area of the nucleoli and that some nucleoporins also localize to the centrosome and the spindle poles. In addition, we could show that, during mitosis, the central FG protein NUP62, two inner ring components and Gle1 depart from the NPCs, while all other tested NUPs remained at the NE. This leads to the conclusion that indeed a partial disassembly of the NPCs takes place, which contributes to permeabilisation of the NE during semi-closed mitosis.
KW  - nuclear pore complex
KW  - nucleoporins
KW  - semi-closed mitosis
KW  - centrosome
KW  - Dictyostelium
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3390/cells11030407
SN  - 2073-4409
VL  - 11
IS  - 3
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Arnold, Patrick
A1  - Rutschmann, Sereina
T1  - UCE sequencing-derived mitogenomes reveal the timing of mitochondrial replacement in Malagasy shrew tenrecs (Afrosoricida, Tenrecidae, Microgale)
JF  - Mammalian biology = Zeitschrift für Säugetierkunde
N2  - Malagasy shrew tenrecs (Microgale) have increasingly been used to study speciation genetics over the last years. A previous study recently uncovered gene flow between the Shrew-toothed shrew tenrec (M. soricoides) and sympatric southern population of the Pale shrew tenrec (M. fotsifotsy). This gene flow has been suggested to be accompanied by complete mitochondrial replacement in M. fotsifotsy. To explore the temporal framework of this replacement, we assembled mitogenomes from publicly available sequencing data of ultra-conserved elements. We were able to assemble complete and partial mitogenomes for 19 specimens from five species of shrew tenrecs, which represents a multifold increase in mitogenomic resources available for all tenrecs. Phylogenetic inferences and sequence simulations support the close relationship between the mitochondrial lineages of M. soricoides and the southern population of M. fotsifotsy. Based on the nuclear divergence of northern and southern populations of M. fotsifotsy and the mitochondrial divergence between the latter and M. soricoides, there was a mean time window for replacement of similar to 350,000 years. This timeframe implies that the effective size of the ancestral M. fotsifotsy southern population was less 70,000.
KW  - Microgale
KW  - Tenrecs
KW  - Gene flow
KW  - Mitochondrial replacement
KW  - Madagascar
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1007/s42991-022-00246-2
SN  - 1616-5047
SN  - 1618-1476
VL  - 102
IS  - 2
SP  - 531
EP  - 536
PB  - Springer
CY  - Heidelberg
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Müller, Marik
A1  - Nedielkov, Ruslan
A1  - Arndt, Katja M.
T1  - Strategies for Enzymatic Inactivation of the Veterinary  Antibiotic Florfenicol
JF  - Antibiotics
N2  - Large quantities of the antibiotic florfenicol are used in animal farming and aquaculture, contaminating the ecosystem with antibiotic residues and promoting antimicrobial resistance, ultimately leading to untreatable multidrug-resistant pathogens. Florfenicol-resistant bacteria often activate export mechanisms that result in resistance to various structurally unrelated antibiotics. We devised novel strategies for the enzymatic inactivation of florfenicol in different media, such as saltwater or milk. Using a combinatorial approach and selection, we optimized a hydrolase (EstDL136) for florfenicol cleavage. Reaction kinetics were followed by time-resolved NMR spectroscopy. Importantly, the hydrolase remained active in different media, such as saltwater or cow milk. Various environmentally-friendly application strategies for florfenicol inactivation were developed using the optimized hydrolase. As a potential filter device for cost-effective treatment of waste milk or aquacultural wastewater, the hydrolase was immobilized on Ni-NTA agarose or silica as carrier materials. In two further application examples, the hydrolase was used as cell extract or encapsulated with a semi-permeable membrane. This facilitated, for example, florfenicol inactivation in whole milk, which can help to treat waste milk from medicated cows, to be fed to calves without the risk of inducing antibiotic resistance. Enzymatic inactivation of antibiotics, in general, enables therapeutic intervention without promoting antibiotic resistance.
KW  - aquaculture
KW  - antibiotic inactivation
KW  - enzyme optimization
KW  - enzymatic inactivation
KW  - florfenicol
KW  - immobilization
KW  - industrial farming
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3390/antibiotics11040443
SN  - 2079-6382
VL  - 11
IS  - 4
SP  - 1
EP  - 18
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Oberkofler, Vicky
A1  - Bäurle, Isabel
T1  - Inducible epigenome editing probes for the role of histone H3K4 methylation in Arabidopsis heat stress memory
JF  - Plant physiology : an international journal devoted to physiology, biochemistry, cellular and molecular biology, biophysics and environmental biology of plants
N2  - A temperature-inducible epigenome editing system to knock down histone methylation can be used to study the role of histone H3K4 methylation during heat stress memory in Arabidopsis. <br /> Histone modifications play a crucial role in the integration of environmental signals to mediate gene expression outcomes. However, genetic and pharmacological interference often causes pleiotropic effects, creating the urgent need for methods that allow locus-specific manipulation of histone modifications, preferably in an inducible manner. Here, we report an inducible system for epigenome editing in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) using a heat-inducible dCas9 to target a JUMONJI (JMJ) histone H3 lysine 4 (H3K4) demethylase domain to a locus of interest. As a model locus, we target the ASCORBATE PEROXIDASE2 (APX2) gene that shows transcriptional memory after heat stress (HS), correlating with H3K4 hyper-methylation. We show that dCas9-JMJ is targeted in a HS-dependent manner to APX2 and that the HS-induced overaccumulation of H3K4 trimethylation (H3K4me3) decreases when dCas9-JMJ binds to the locus. This results in reduced HS-mediated transcriptional memory at the APX2 locus. Targeting an enzymatically inactive JMJ protein in an analogous manner affected transcriptional memory less than the active JMJ protein; however, we still observed a decrease in H3K4 methylation levels. Thus, the inducible targeting of dCas9-JMJ to APX2 was effective in reducing H3K4 methylation levels. As the effect was not fully dependent on enzyme activity of the eraser domain, the dCas9-JMJ fusion protein may act in part independently of its demethylase activity. This underlines the need for caution in the design and interpretation of epigenome editing studies. We expect our versatile inducible epigenome editing system to be especially useful for studying temporal dynamics of chromatin modifications.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1093/plphys/kiac113
SN  - 0032-0889
SN  - 1532-2548
VL  - 189
IS  - 2
SP  - 703
EP  - 714
PB  - Oxford University Press
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Omranian, Sara
A1  - Nikoloski, Zoran
T1  - CUBCO+: prediction of protein complexes based on min-cut network partitioning into biclique spanned subgraphs
JF  - Applied Network Science
N2  - High-throughput proteomics approaches have resulted in large-scale protein–protein interaction (PPI) networks that have been employed for the prediction of protein complexes. However, PPI networks contain false-positive as well as false-negative PPIs that affect the protein complex prediction algorithms. To address this issue, here we propose an algorithm called CUBCO+ that: (1) employs GO semantic similarity to retain only biologically relevant interactions with a high similarity score, (2) based on link prediction approaches, scores the false-negative edges, and (3) incorporates the resulting scores to predict protein complexes. Through comprehensive analyses with PPIs from Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, and Homo sapiens, we show that CUBCO+ performs as well as the approaches that predict protein complexes based on recently introduced graph partitions into biclique spanned subgraphs and outperforms the other state-of-the-art approaches. Moreover, we illustrate that in combination with GO semantic similarity, CUBCO+ enables us to predict more accurate protein complexes in 36% of the cases in comparison to CUBCO as its predecessor.
KW  - Protein complexes
KW  - Protein–protein interaction
KW  - Network clustering
KW  - Species comparison
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1007/s41109-022-00508-5
SN  - 2364-8228
VL  - 7
PB  - Springer International Publishing
CY  - Cham
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Heinze, Johannes
T1  - Correction to: Heinze, Johannes: Herbivory by aboveground insects impacts plant root morphological traits. - Plant Ecology. - 221 (2020). - S. 725 - 732
JF  - Plant ecology : an international journal
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1007/s11258-021-01194-6
SN  - 1385-0237
SN  - 1573-5052
VL  - 223
IS  - 115
PB  - Springer
CY  - Dordrecht
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nguyen, Van Thanh
T1  - Unravelling the mysteries of the Annamites
BT  - First insights in ecology, distribution, and genetic diversity of Annamite mammals
N2  - The Annamites mountain range of Southeast Asia which runs along the border of Viet Nam and Laos is an important biodiversity hotspot with high levels of endemism. However, that biodiversity is threatened by unsustainable hunting, and many protected areas across the region have been emptied of their wildlife. To better protect the unique species in the Annamites, it is crucial to have a better understanding of their ecology and distribution. Additionally, basic genetic information is needed to provide conservation stakeholders with essential information to facilitate conservation breeding and counteract the illegal wildlife trade. To date, this baseline information is lacking for many Annamites species. 
This thesis aims to assess the effectiveness of using non-invasive collection methods, i.e. camera-trap surveys and leech-derived wildlife host DNA, in order to improve and enhance our understanding of ecology, distribution, and genetic diversity of the Annamites terrestrial mammals. 
In chapter 1, we analysed data from a systematic landscape camera-trap survey using single-species occupancy models to assess the ecology and distribution of two little-known Annamite endemics, the Annamite dark muntjac (Muntiacus rooseveltorum / truongsonensis) and Annamite striped rabbit (Nesolagus timminsi), in multiple protected areas across the Annamites. This chapter provided the first in-depth information on their ecology, as well as distribution patterns at large spatial scales. Most notably, we found that the Annamite dark muntjac was predominantly found at higher elevations, while responses to elevation varied among study areas for the Annamite striped rabbit. We estimated occupancy probabilities for both endemics by using their responses to environmental and anthropogenic influences and used this information to make recommendations for targeted conservation actions. We discuss how the approach we used for these two Annamites endemics can be expanded for other little-known and threatened species in other tropical regions. 
As is the case with ecology and distribution, very little is known about the genetic diversity of the Annamite striped rabbit and other mammals of the Annamites. This poor understanding is mainly attributed to the lack of a comprehensive DNA sample collection that covers the species’ entire distribution range, which is believed to be a consequence of the low density of mammals or the remoteness of species’ habitat. In order to overcome the difficulties when trying to collect DNA samples from elusive mammals, we applied invertebrate-derived DNA (iDNA) sampling via hematophagous leeches to indirectly obtain genetic materials of their terrestrial host mammals. 
In chapter 2, leech-derived DNA was used to study the genetic diversity of the Annamite striped rabbit population. By analysing the DNA extracted from leech samples collected at multiple study areas of the central Annamites, we found a genetic variation with five haplotypes among nine obtained sequences. Despite this diversity, we found no clear phylogeographic pattern among the lagomorph’s populations in central Annamites. The findings have direct conservation implications for the species, as local stakeholders are currently establishing a conservation rescue and breeding facility for Annamite endemic species. Thus our results suggested that Annamite striped rabbits from multiple protected areas in central Annamites can be used as founders for the breeding program. 
In chapter 3, the genetic material of six mammals, which are frequently found in Indochina's illegal wildlife trade, was extracted from leeches collected at six study sites across the Anamites. Species-specific genetic markers were used to obtain DNA fragments that were analysed together with Genbank reference sequences from other parts of the species’ distribution range. Our results showed that invertebrate-derived DNA can be used to fill the sampling gaps and provide genetic reference data that is needed for conservation breeding programmes or to counteract the illegal wildlife trade.
Overal, this dissertation provides the first insights in the ecology, distribution, and genetics of rare and threatened species of the Annamites by utilising camera traps and leech-derived DNA as two non-invasive collection methods. This information is essential for improving conservation efforts of local stakeholders and managers, especially for the Annamite endemics. Results in this dissertation also show the effectiveness of both non-invasive methods for studying terrestrial mammals at a landscape level. By expanding the application of these methods to other protected areas across the Annamites, we will further our understanding of ecology, distribution, and genetics of Annamite endemics. With such landscape-scale surveys, we are able to provide stakeholders with an overview of the current status of wildlife in the Annamites which supports efforts to protect these secretive species from illegal hunting and thus their extinction.
KW  - Annamites
KW  - threatened
KW  - animal
KW  - camera-trap
KW  - occupancy
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tanner, Norman
T1  - Methoden zur routinemäßigen Untersuchung von Bienenprodukten mittels Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rakpenthai, Apidet
T1  - Analysis of the regulation of the sulfur responsive genese, SD11 and SD 12
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ginsawaeng, Orarat
T1  - Late embryogenesis abundant (LEA) proteins in Arabidopsis thaliana seeds and their role in germination
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ogden, Michael
T1  - Uncovering the interplay between nutrient availability and cellulose biosynthesis inhibitor activity
N2  - All plant cells are surrounded by a dynamic, carbohydrate-rich extracellular matrix known as the cell wall. Nutrient availability affects cell wall composition via uncharacterized regulatory mechanisms, and cellulose deficient mutants develop a hypersensitive root response to growth on high concentrations of nitrate. Since cell walls account for the bulk of plant biomass, it is important to understand how nutrients regulate cell walls. This could provide important knowledge for directing fertilizer treatments and engineering plants with higher nutrient use efficiency. The direct effect of nitrate on cell wall synthesis was investigated through growth assays on varying concentrations of nitrate, measuring cellulose content of roots and shoots, and assessing cellulose synthase activity (CESA) using live cell imaging with spinning disk confocal microscopy. A forward genetic screen was developed to isolate mutants impaired in nutrient-mediated cell wall regulation, revealing that cellulose biosynthesis inhibitor (CBI) activity is modulated by nutrient availability. Various non-CESA mutants were isolated that displayed CBI resistance, with the majority of mutations causing perturbation of mitochondria-localized proteins. To investigate mitochondrial involvement, the CBI mechanism of action was investigated using a reverse genetic screen, a targeted pharmacological screen, and -omics approaches. The results generated suggest that CBI-induced cellulose inhibition is due to off-target effects. This provides the groundwork to investigate uncharacterized processes of CESA regulation and adds valuable knowledge to the understanding of CBI activity, which could be harnessed to develop new and improved herbicides.
KW  - cellulose synthesis
KW  - plant cell wall
KW  - cellulose biosynthesis inhibitor
KW  - root growth
KW  - herbicide
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Eckert, Silvia
A1  - Herden, Jasmin
A1  - Stift, Marc
A1  - Durka, Walter
A1  - Kleunen, Mark Van
A1  - Joshi, Jasmin Radha
T1  - Traces of Genetic but Not Epigenetic Adaptation in the Invasive Goldenrod Solidago canadensis Despite the Absence of Population Structure
JF  - Frontiers in Ecology and Evolution
N2  - Biological invasions may result from multiple introductions, which might compensate for reduced gene pools caused by bottleneck events, but could also dilute adaptive processes. A previous common-garden experiment showed heritable latitudinal clines in fitness-related traits in the invasive goldenrod Solidago canadensis in Central Europe. These latitudinal clines remained stable even in plants chemically treated with zebularine to reduce epigenetic variation. However, despite the heritability of traits investigated, genetic isolation-by-distance was non-significant. Utilizing the same specimens, we applied a molecular analysis of (epi)genetic differentiation with standard and methylation-sensitive (MSAP) AFLPs. We tested whether this variation was spatially structured among populations and whether zebularine had altered epigenetic variation. Additionally, we used genome scans to mine for putative outlier loci susceptible to selection processes in the invaded range. Despite the absence of isolation-by-distance, we found spatial genetic neighborhoods among populations and two AFLP clusters differentiating northern and southern Solidago populations. Genetic and epigenetic diversity were significantly correlated, but not linked to phenotypic variation. Hence, no spatial epigenetic patterns were detected along the latitudinal gradient sampled. Applying genome-scan approaches (BAYESCAN, BAYESCENV, RDA, and LFMM), we found 51 genetic and epigenetic loci putatively responding to selection. One of these genetic loci was significantly more frequent in populations at the northern range. Also, one epigenetic locus was more frequent in populations in the southern range, but this pattern was lost under zebularine treatment. Our results point to some genetic, but not epigenetic adaptation processes along a large-scale latitudinal gradient of S. canadensis in its invasive range.
KW  - AFLP
KW  - MSAP
KW  - cytosine methylation
KW  - spatial autocorrelation
KW  - genome scan
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/fevo.2022.856453
SN  - 2296-701X
VL  - 10
SP  - 1
EP  - 17
PB  - Frontiers
CY  - Lausanne, Schweiz
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Ilicic, Doris
A1  - Woodhouse, Jason
A1  - Karsten, Ulf
A1  - Zimmermann, Jonas
A1  - Wichard, Thomas
A1  - Quartino, Maria Liliana
A1  - Campana, Gabriela Laura
A1  - Livenets, Alexandra
A1  - Van den Wyngaert, Silke
A1  - Grossart, Hans-Peter
T1  - Antarctic Glacial Meltwater Impacts the Diversity of Fungal Parasites Associated With Benthic Diatoms in Shallow Coastal Zones
JF  - Frontiers in microbiology
N2  - Aquatic ecosystems are frequently overlooked as fungal habitats, although there is increasing evidence that their diversity and ecological importance are greater than previously considered. Aquatic fungi are critical and abundant components of nutrient cycling and food web dynamics, e.g., exerting top-down control on phytoplankton communities and forming symbioses with many marine microorganisms. However, their relevance for microphytobenthic communities is almost unexplored. In the light of global warming, polar regions face extreme changes in abiotic factors with a severe impact on biodiversity and ecosystem functioning. Therefore, this study aimed to describe, for the first time, fungal diversity in Antarctic benthic habitats along the salinity gradient and to determine the co-occurrence of fungal parasites with their algal hosts, which were dominated by benthic diatoms. Our results reveal that Ascomycota and Chytridiomycota are the most abundant fungal taxa in these habitats. We show that also in Antarctic waters, salinity has a major impact on shaping not just fungal but rather the whole eukaryotic community composition, with a diversity of aquatic fungi increasing as salinity decreases. Moreover, we determined correlations between putative fungal parasites and potential benthic diatom hosts, highlighting the need for further systematic analysis of fungal diversity along with studies on taxonomy and ecological roles of Chytridiomycota.
KW  - Antarctica
KW  - aquatic fungi
KW  - Chytridiomycota
KW  - phytoplankton host
KW  - salinity gradient
KW  - Illumina amplicon sequencing
KW  - Carlini Station
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.805694
SN  - 1664-302X
IS  - 13
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kath, Nadja Jeanette
A1  - Gaedke, Ursula
A1  - van Velzen, Ellen
T1  - The double-edged sword of inducible defences: costs and benefits of maladaptive switching from the individual to the community level
JF  - Scientific Reports
N2  - Phenotypic plasticity can increase individual fitness when environmental conditions change over time. Inducible defences are a striking example, allowing species to react to fluctuating predation pressure by only expressing their costly defended phenotype under high predation risk. Previous theoretical investigations have focused on how this affects predator–prey dynamics, but the impact on competitive outcomes and broader community dynamics has received less attention. Here we use a small food web model, consisting of two competing plastic autotrophic species exploited by a shared consumer, to study how the speed of inducible defences across three trade-off constellations affects autotroph coexistence, biomasses across trophic levels, and temporal variability. Contrary to the intuitive idea that faster adaptation increases autotroph fitness, we found that higher switching rates reduced individual fitness as it consistently provoked more maladaptive switching towards undefended phenotypes under high predation pressure. This had an unexpected positive impact on the consumer, increasing consumer biomass and lowering total autotroph biomass. Additionally, maladaptive switching strongly reduced autotroph coexistence through an emerging source-sink dynamic between defended and undefended phenotypes. The striking impact of maladaptive switching on species and food web dynamics indicates that this mechanism may be of more critical importance than previously recognized.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1038/s41598-022-13895-7
SN  - 2045-2322
VL  - 12
SP  - 1
EP  - 14
PB  - Springer Nature
CY  - London
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Singh, Aakanksha
A1  - Compart, Julia
A1  - AL-Rawi, Shadha Abduljaleel
A1  - Mahto, Harendra
A1  - Ahmad, Abubakar Musa
A1  - Fettke, Jörg
T1  - LIKE EARLY STARVATION 1 alters the glucan structures at the starch granule surface and thereby influences the action of both starch-synthesizing and starch-degrading enzymes
JF  - The plant journal
N2  - For starch metabolism to take place correctly, various enzymes and proteins acting on the starch granule surface are crucial. Recently, two non-catalytic starch-binding proteins, pivotal for normal starch turnover in Arabidopsis leaves, namely, EARLY STARVATION 1 (ESV1) and its homolog LIKE EARLY STARVATION 1 (LESV), have been identified. Both share nearly 38% sequence homology. As ESV1 has been found to influence glucan phosphorylation via two starch-related dikinases, alpha-glucan, water dikinase (GWD) and phosphoglucan, water dikinase (PWD), through modulating the surface glucan structures of the starch granules and thus affecting starch degradation, we assess the impact of its homolog LESV on starch metabolism. Thus, the 65-kDa recombinant protein LESV and the 50-kDa ESV1 were analyzed regarding their influence on the action of GWD and PWD on the surface of the starch granules. We included starches from various sources and additionally assessed the effect of these non-enzymatic proteins on other starch-related enzymes, such as starch synthases (SSI and SSIII), starch phosphorylases (PHS1), isoamylase and beta-amylase. The data obtained indicate that starch phosphorylation, hydrolyses and synthesis were affected by LESV and ESV1. Furthermore, incubation with LESV and ESV1 together exerted an additive effect on starch phosphorylation. In addition, a stable alteration of the glucan structures at the starch granule surface following treatment with LESV and ESV1 was observed. Here, we discuss all the observed changes that point to modifications in the glucan structures at the surface of the native starch granules and present a model to explain the existing processes.
KW  - starch
KW  - starch metabolism
KW  - starch surface structure
KW  - Arabidopsis
KW  - thaliana
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1111/tpj.15855
SN  - 0960-7412
SN  - 1365-313X
VL  - 111
IS  - 3
SP  - 819
EP  - 835
PB  - Wiley-Blackwell
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schlägel, Ulrike E.
A1  - Mädlow, Wolfgang
T1  - All-season space use by non-native resident Mandarin Ducks (Aix galericulata) in northeastern Germany
JF  - Journal of ornithology / publ. by Deutsche Ornithologen-Gesellschaft
N2  - Patterns of space use are often subject to large temporal and individual-level variation, due to seasonality in behaviour and environmental conditions as well as age- or sex-specific needs. Especially in temperate regions, seasonality likely influences space use even in non-migratory birds. In waterfowl of the family Anatidae, however, few studies have analyzed space use of the same individuals across the full annual cycle. We used a resident population of Mandarin Ducks (Aix galericulata) in northeast Germany to study their year-round space use in relation to season, sex, and age. We marked 172 birds with colour rings and surveyed relevant water bodies for re-encounters for several years. As space-use patterns we derived home ranges from minimum convex polygons and the number of water bodies used by individual birds. Our analysis revealed that individuals shifted their space use between seasons, in particular extending their home ranges during the non-breeding season. Between years, in contrast, birds tended to show season-specific site fidelity. Sex differences were apparent during both breeding and non-breeding season, males consistently having larger home ranges and using slightly more water bodies. No difference was found between first-year and adult birds. Our study demonstrates that mark-resighting can provide valuable information about space use in species with suitable behaviour and readily accessible habitat. In such cases, it may be a valid alternative to more expensive GPS-tracking or short-term manual radio telemetry, particularly within citizen-science projects.
N2  - Raumnutzungsmuster von Vögeln zeigen häufig große zeitliche und individuelle Variationen in Abhängigkeit vom saisonalen Verhalten und von Umweltbedingungen, aber auch alters- und geschlechtsspezifischen Ansprüchen. In gemäßigten Klimazonen können jahreszeitliche Einflussfaktoren die Raumnutzung auch von nicht ziehenden Arten bestimmen. Für Entenvögel (Anatidae) liegen bisher jedoch nur wenige Studien vor, die die Raumnutzung von Individuen über den gesamten Jahresverlauf hinweg betrachten. Wir untersuchten die ganzjährige Raumnutzung einer Standvogel-Population der Mandarinente (Aix galericulata) in Abhängigkeit von Jahreszeit, Geschlecht und Alter der Vögel. Wir markierten 172 Vögel mit Farbringen und kontrollierten mehrere Jahre lang die relevanten Gewässer, um Ringablesungen zu erzielen. Zur Analyse der Raumnutzung ermittelten wir Minimum-Convex-Polygone und die Anzahl der von den einzelnen Individuen genutzten Gewässer. Unsere Auswertung zeigte, dass die von den Vögeln genutzten Aktionsräume sich mit den Jahreszeiten veränderten. Insbesondere vergrößerte sich das besuchte Gebiet außerhalb der Brutzeit. Beim Vergleich mehrerer Jahre tendierten die Vögel zu einer saisonspezifischen Gebietstreue. Geschlechterunterschiede zeigten sich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Brutzeit, wobei die Männchen stets größere Gebiete und eine größere Zahl an Gewässern nutzten. Zwischen Vögeln im ersten Lebensjahr und Adulten wurden keine Unterschiede gefunden. Unsere Untersuchung zeigt, dass Farbberingungsprogramme wertvolle Informationen zur Raumnutzung bei Arten liefern können, deren Verhalten dafür geeignet ist und die in gut zugänglichen Lebensräumen vorkommen. In diesen Fällen kann die Farbberingung eine geeignete Alternative zur teureren GPS- oder manuellen Telemetrie sein, vor allem wenn die vereinte Kraft von Amateurornithologen in die Untersuchungen einbezogen werden kann.
KW  - Anatidae
KW  - Aix galericulata
KW  - Home range
KW  - Site fidelity
KW  - Movement
KW  - Seasonality
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1007/s10336-021-01932-7
SN  - 2193-7192
SN  - 2193-7206
VL  - 163
IS  - 1
SP  - 71
EP  - 82
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Küken, Anika
A1  - Langary, Damoun
A1  - Nikoloski, Zoran
T1  - The hidden simplicity of metabolic networks is revealed by multireaction dependencies
JF  - Science Advances
N2  - Understanding the complexity of metabolic networks has implications for manipulation of their functions. The complexity of metabolic networks can be characterized by identifying multireaction dependencies that are challenging to determine due to the sheer number of combinations to consider. Here, we propose the concept of concordant complexes that captures multireaction dependencies and can be efficiently determined from the algebraic structure and operational constraints of metabolic networks. The concordant complexes imply the existence of concordance modules based on which the apparent complexity of 12 metabolic networks of organisms from all kingdoms of life can be reduced by at least 78%. A comparative analysis against an ensemble of randomized metabolic networks shows that the metabolic network of Escherichia coli contains fewer concordance modules and is, therefore, more tightly coordinated than expected by chance. Together, our findings demonstrate that metabolic networks are considerably simpler than what can be perceived from their structure alone.
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1126/sciadv.abl6962
SN  - 2375-2548
VL  - 8
IS  - 13
PB  - American Assoc. for the Advancement of Science
CY  - Washington
ER  -