TY - THES A1 - Afifi, Haitham T1 - Wireless In-Network Processing for Multimedia Applications T1 - Drahtlose In-Network-Verarbeitung für Multimedia-Anwendungen N2 - With the recent growth of sensors, cloud computing handles the data processing of many applications. Processing some of this data on the cloud raises, however, many concerns regarding, e.g., privacy, latency, or single points of failure. Alternatively, thanks to the development of embedded systems, smart wireless devices can share their computation capacity, creating a local wireless cloud for in-network processing. In this context, the processing of an application is divided into smaller jobs so that a device can run one or more jobs. The contribution of this thesis to this scenario is divided into three parts. In part one, I focus on wireless aspects, such as power control and interference management, for deciding which jobs to run on which node and how to route data between nodes. Hence, I formulate optimization problems and develop heuristic and meta-heuristic algorithms to allocate wireless and computation resources. Additionally, to deal with multiple applications competing for these resources, I develop a reinforcement learning (RL) admission controller to decide which application should be admitted. Next, I look into acoustic applications to improve wireless throughput by using microphone clock synchronization to synchronize wireless transmissions. In the second part, I jointly work with colleagues from the acoustic processing field to optimize both network and application (i.e., acoustic) qualities. My contribution focuses on the network part, where I study the relation between acoustic and network qualities when selecting a subset of microphones for collecting audio data or selecting a subset of optional jobs for processing these data; too many microphones or too many jobs can lessen quality by unnecessary delays. Hence, I develop RL solutions to select the subset of microphones under network constraints when the speaker is moving while still providing good acoustic quality. Furthermore, I show that autonomous vehicles carrying microphones improve the acoustic qualities of different applications. Accordingly, I develop RL solutions (single and multi-agent ones) for controlling these vehicles. In the third part, I close the gap between theory and practice. I describe the features of my open-source framework used as a proof of concept for wireless in-network processing. Next, I demonstrate how to run some algorithms developed by colleagues from acoustic processing using my framework. I also use the framework for studying in-network delays (wireless and processing) using different distributions of jobs and network topologies. N2 - Mit der steigenden Anzahl von Sensoren übernimmt Cloud Computing die Datenverarbeitung vieler Anwendungen. Dies wirft jedoch viele Bedenken auf, z. B. in Bezug auf Datenschutz, Latenzen oder Fehlerquellen. Alternativ und dank der Entwicklung eingebetteter Systeme können drahtlose intelligente Geräte für die lokale Verarbeitung verwendet werden, indem sie ihre Rechenkapazität gemeinsam nutzen und so eine lokale drahtlose Cloud für die netzinterne Verarbeitung schaffen. In diesem Zusammenhang wird eine Anwendung in kleinere Aufgaben unterteilt, so dass ein Gerät eine oder mehrere Aufgaben ausführen kann. Der Beitrag dieser Arbeit zu diesem Szenario gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil konzentriere ich mich auf drahtlose Aspekte wie Leistungssteuerung und Interferenzmanagement um zu entscheiden, welche Aufgaben auf welchem Knoten ausgeführt werden sollen und wie die Daten zwischen den Knoten weitergeleitet werden sollen. Daher formuliere ich Optimierungsprobleme und entwickle heuristische und metaheuristische Algorithmen zur Zuweisung von Ressourcen eines drahtlosen Netzwerks. Um mit mehreren Anwendungen, die um diese Ressourcen konkurrieren, umgehen zu können, entwickle ich außerdem einen Reinforcement Learning (RL) Admission Controller, um zu entscheiden, welche Anwendung zugelassen werden soll. Als Nächstes untersuche ich akustische Anwendungen zur Verbesserung des drahtlosen Durchsatzes, indem ich Mikrofon-Taktsynchronisation zur Synchronisierung drahtloser Übertragungen verwende. Im zweiten Teil arbeite ich mit Kollegen aus dem Bereich der Akustikverarbeitung zusammen, um sowohl die Netzwerk- als auch die Anwendungsqualitäten (d.h. die akustischen) zu optimieren. Mein Beitrag konzentriert sich auf den Netzwerkteil, wo ich die Beziehung zwischen akustischen und Netzwerkqualitäten bei der Auswahl einer Teilmenge von Mikrofonen für die Erfassung von Audiodaten oder der Auswahl einer Teilmenge von optionalen Aufgaben für die Verarbeitung dieser Daten untersuche; zu viele Mikrofone oder zu viele Aufgaben können die Qualität durch unnötige Verzögerungen verringern. Daher habe ich RL-Lösungen entwickelt, um die Teilmenge der Mikrofone unter Netzwerkbeschränkungen auszuwählen, wenn sich der Sprecher bewegt, und dennoch eine gute akustische Qualität gewährleistet. Außerdem zeige ich, dass autonome Fahrzeuge, die Mikrofone mit sich führen, die akustische Qualität verschiedener Anwendungen verbessern. Dementsprechend entwickle ich RL-Lösungen (Einzel- und Multi-Agenten-Lösungen) für die Steuerung dieser Fahrzeuge. Im dritten Teil schließe ich die Lücke zwischen Theorie und Praxis. Ich beschreibe die Eigenschaften meines Open-Source-Frameworks, das als Prototyp für die drahtlose netzinterne Verarbeitung verwendet wird. Anschließend zeige ich, wie einige Algorithmen, die von Kollegen aus der Akustikverarbeitung entwickelt wurden, mit meinem Framework ausgeführt werden können. Außerdem verwende ich das Framework für die Untersuchung von netzinternen Verzögerungen unter Verwendung verschiedener Aufgabenverteilungen und Netzwerktopologien. KW - wireless networks KW - reinforcement learning KW - network optimization KW - Netzoptimierung KW - bestärkendes Lernen KW - drahtloses Netzwerk Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604371 ER - TY - THES A1 - Aktas, Berfin T1 - Variation in coreference patterns BT - analyses across language modes and genres N2 - This thesis explores the variation in coreference patterns across language modes (i.e., spoken and written) and text genres. The significance of research on variation in language use has been emphasized in a number of linguistic studies. For instance, Biber and Conrad [2009] state that “register/genre variation is a fundamental aspect of human language” and “Given the ubiquity of register/genre variation, an understanding of how linguistic features are used in patterned ways across text varieties is of central importance for both the description of particular languages and the development of cross-linguistic theories of language use.”[p.23] We examine the variation across genres with the primary goal of contributing to the body of knowledge on the description of language use in English. On the computational side, we believe that incorporating linguistic knowledge into learning-based systems can boost the performance of automatic natural language processing systems, particularly for non-standard texts. Therefore, in addition to their descriptive value, the linguistic findings we provide in this study may prove to be helpful for improving the performance of automatic coreference resolution, which is essential for a good text understanding and beneficial for several downstream NLP applications, including machine translation and text summarization. In particular, we study a genre of texts that is formed of conversational interactions on the well-known social media platform Twitter. Two factors motivate us: First, Twitter conversations are realized in written form but resemble spoken communication [Scheffler, 2017], and therefore they form an atypical genre for the written mode. Second, while Twitter texts are a complicated genre for automatic coreference resolution, due to their widespread use in the digital sphere, at the same time they are highly relevant for applications that seek to extract information or sentiments from users’ messages. Thus, we are interested in discovering more about the linguistic and computational aspects of coreference in Twitter conversations. We first created a corpus of such conversations for this purpose and annotated it for coreference. We are interested in not only the coreference patterns but the overall discourse behavior of Twitter conversations. To address this, in addition to the coreference relations, we also annotated the coherence relations on the corpus we compiled. The corpus is available online in a newly developed form that allows for separating the tweets from their annotations. This study consists of three empirical analyses where we independently apply corpus-based, psycholinguistic and computational approaches for the investigation of variation in coreference patterns in a complementary manner. (1) We first make a descriptive analysis of variation across genres through a corpus-based study. We investigate the linguistic aspects of nominal coreference in Twitter conversations and we determine how this genre relates to other text genres in spoken and written modes. In addition to the variation across genres, studying the differences in spoken-written modes is also in focus of linguistic research since from Woolbert [1922]. (2) In order to investigate whether the language mode alone has any effect on coreference patterns, we carry out a crowdsourced experiment and analyze the patterns in the same genre for both spoken and written modes. (3) Finally, we explore the potentials of domain adaptation of automatic coreference resolution (ACR) for the conversational Twitter data. In order to answer the question of how the genre of Twitter conversations relates to other genres in spoken and written modes with respect to coreference patterns, we employ a state-of-the-art neural ACR model [Lee et al., 2018] to examine whether ACR on Twitter conversations will benefit from mode-based separation in out-of-domain training data. N2 - In dieser Dissertation wird die Variation von Koreferenzmustern in verschiedenen Sprachmodi (d. h., gesprochen und geschrieben) und Textgenres untersucht. Die Relevanz der Erforschung von Variation im Sprachgebrauch wurde in einer ganzen Reihe von linguistischen Studien betont. Zum Beispiel stellen Biber und Conrad [2009] fest: "register/genre variation is a fundamental aspect of human language" und "Given the ubiquity of register/genre variation, an understanding of how linguistic features are used in patterned ways across text varieties is of central importance for both the description of particular languages and the development of cross-linguistic theories of language use."[S.23] Wir untersuchen die Variation zwischen Genres mit dem primären Ziel, einen Beitrag zum Wissensstand zur Beschreibung des Sprachgebrauchs im Englischen zu leisten. Auf der technischen Seite glauben wir, dass das Einbeziehen von linguistischem Wissen in machine learning Ansätzen die Leistung von sprachverarbeitenden Systemen verbessern kann, insbesondere für Texte in nicht-Standard Varietäten. Neben ihrem sprachbeschreibenden Wert können die linguistischen Erkenntnisse, die wir in dieser Studie liefern, sich also als nützlich für die Verbesserung von Systemen für automatische Koreferenzauflösung erweisen; diese ist für ein tiefgreifendes Textverständnis unerlässlich, und potenziell hilfreich für verschiedene nachgelagerte NLP-Applikationen wie etwa die maschinelle Übersetzung und die Textzusammenfassung. Insbesondere untersuchen wir ein Textgenre, das aus Konversationsinteraktionen auf der bekannten Social-Media-Plattform Twitter gebildet wird. Zwei Faktoren motivieren uns dazu: Erstens werden Twitter-Konversationen in schriftlicher Form realisiert, ähneln dabei aber der gesprochenen Kommunikation [Scheffler, 2017] und bilden daher ein für den schriftlichen Modus untypisches Genre. Zweitens sind Twitter-Texte zwar ein kompliziertes Genre für die automatische Auflösung von Koreferenzen, aufgrund ihrer weiten Verbreitung in der digitalen Sphäre sind sie aber für Applikationen, die Informationen oder Stimmungen aus den Nachrichten der Nutzer extrahieren wollen, höchst relevant. Daher sind wir daran interessiert, mehr über die linguistischen und komputationellen Aspekte der Koreferenz in Twitter-Konversationen herauszufinden. Zu diesem Zweck haben wir zunächst ein Korpus solcher Unterhaltungen erstellt und es hinsichtlich der Koreferenzbeziehungen annotiert. Wir interessieren uns dabei aber nicht nur für die Koreferenzmuster, sondern auch allgemein für diskursstrukturelle Eigenschaften von Twitter-Konversationen. Daher haben wir zusätzlich zu den Koreferenzrelationen auch die semantisch/pragmatischen Kohärenzrelationen in dem von uns erstellten Korpus annotiert. Das Korpus ist online in einer neu entwickelten Form verfügbar, die es erlaubt, die Tweets von ihren Annotationen getrennt zu repräsentieren. Diese Studie besteht aus drei empirischen Analysen, in denen wir unabhängig voneinander korpusbasierte, psycholinguistische und computerlinguistische Ansätze zur komplementären Untersuchung der Variation von Koreferenzmustern anwenden. (1) Zunächst führen wir eine deskriptive Analyse der Variation zwischen den Genres anhand einer korpusbasierten Studie durch. Wir untersuchen linguistische Aspekte der nominalen Koreferenz in Twitter-Konversationen und stellen fest, wie sich dieses Genre zu anderen Textgenres im gesprochenen und schriftlichen Modus verhält. Neben der Variation zwischen Genres steht auch die Untersuchung der Unterschiede zwischen mündlichen und schriftlichen Formen im Fokus der linguistischen Forschung beginnend mit Woolbert [1922]. (2) Um zu untersuchen, ob der Sprachmodus auch allein einen Einfluss auf die Koreferenzmuster ausübt, führen wir ein Crowdsourcing-Experiment durch und analysieren die Muster, die sich innerhalb desselben Genres für den gesprochenen und den geschriebenen Modus ergeben. (3) Schließlich untersuchen wir Möglichkeiten der Domain-Anpassung der automatischen Koreferenzauflösung für die Twitter-Konversationsdaten. Um die Frage zu beantworten, wie sich das Genre der Twitter-Konversationen zu anderen Genres im gesprochenen und geschriebenen Modus im Hinblick auf die Koreferenzmuster verhält, verwenden wir ein neuronales Koreferenzresolutionsmodell auf dem aktuellen Stand der Technik [Lee et al., 2018], um zu untersuchen, ob die Resolution auf Twitter-Konversationen von einer modusbasierten Trennung der Trainingsdaten aus externen Domänen profitiert. KW - coreference KW - variation KW - spoken KW - written KW - genre KW - Koreferenzmustern KW - Variation KW - gesprochen KW - geschrieben KW - Textgenre Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-596086 ER - TY - THES A1 - Albrecht, Kim Frederic T1 - Insight by de—sign T1 - Einsicht durch Ausschluss BT - a calculus of computation N2 - The calculus of design is a diagrammatic approach towards the relationship between design and insight. The thesis I am evolving is that insights are not discovered, gained, explored, revealed, or mined, but are operatively de—signed. The de in design neglects the contingency of the space towards the sign. The — is the drawing of a distinction within the operation. Space collapses through the negativity of the sign; the command draws a distinction that neglects the space for the form's sake. The operation to de—sign is counterintuitively not the creation of signs, but their removal, the exclusion of possible sign propositions of space. De—sign is thus an act of exclusion; the possibilities of space are crossed into form. N2 - Das Kalkül des Designs ist ein diagrammatischer Denkansatz zum Verhältnis von Design und Erkenntnis. Die These, die ich vertrete, lautet, dass Erkenntnisse nicht entdeckt, gewonnen, erkundet, aufgedeckt oder abgebaut werden, sondern operativ de—signed werden. Das de im Design vernachlässigt die Kontingenz des Raums gegenüber dem Zeichen. Das — ist die Zeichnung einer Unterscheidung innerhalb der Operation. Der Raum kollabiert durch die Negativität des Zeichens; der Befehl zieht eine Unterscheidung, die den Raum um der Form willen vernachlässigt. Die Operation "de—sign" ist kontraintuitiv nicht die Erschaffung von Zeichen, sondern ihre Beseitigung, der Ausschluss möglicher Zeichensätze des Raums. De—sign ist also ein Akt des Ausschlusses; die Möglichkeiten des Raums werden in die Form gekreuzt. KW - design KW - media theory KW - computational design KW - design theory KW - Gestaltung KW - Design KW - Gestaltungstheorie KW - Medientheorie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575092 ER - TY - THES A1 - Alexoudi, Xanthippi T1 - Clarifying the discrepant results in the characterization of exoplanetary atmospheres T1 - Klärung der widersprüchlichen Ergebnisse bei der Charakterisierung von exoplaneten Atmosphären N2 - Planets outside our solar system, so-called "exoplanets", can be detected with different methods, and currently more than 5000 exoplanets have been confirmed, according to NASA Exoplanet Archive. One major highlight of the studies on exoplanets in the past twenty years is the characterization of their atmospheres usingtransmission spectroscopy as the exoplanet transits. However, this characterization is a challenging process and sometimes there are reported discrepancies in the literature regarding the atmosphere of the same exoplanet. One potential reason for the observed atmospheric inconsistencies is called impact parameter degeneracy, and it is highly driven by the limb darkening effect of the host star. A brief introductionto those topics in presented in chapter 1, while the motivation and objectives of thiswork are described in chapter 2.The first goal is to clarify the origin of the transmission spectrum, which is anindicator of an exoplanet’s atmosphere; whether it is real or influenced by the impactparameter degeneracy. A second goal is to determine whether photometry from space using the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), could improve on the major parameters, which are responsible for the aforementioned degeneracy, of known exoplanetary systems. Three individual projects were conducted in order toaddress those goals. The three manuscripts are presented, in short, in the manuscriptoverview in chapter 3.More specifically, in chapter 4, the first manuscript is presented, which is an ex-tended investigation on the impact parameter degeneracy and its application onsynthetic transmission spectra. Evidently, the limb darkening of the host star isan important driver for this effect. It keeps the degeneracy persisting through different groups of exoplanets, based on the uncertainty of their impact parameter and on the type of their host star. The second goal, was addressed in the second and third manuscripts (chapter 5 and chapter 6 respectively). Using observationsfrom the TESS mission, two samples of exoplanets were studied; 10 transiting inflated hot-Jupiters and 43 transiting grazing systems. Potentially, the refinement or confirmation of their major system parameters’ measurements can assist in solving current or future discrepancies regarding their atmospheric characterization.In chapter 7 the conclusions of this work are discussed, while in chapter 8 itis proposed how TESS’s measurements can be able to discern between erroneousinterpretations of transmission spectra, especially on systems where the impact parameter degeneracy is likely not applicable. N2 - Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten", lassen sichmit verschiedenen Methoden aufspüren, und nach Angaben des NASA ExoplanetArchive wurden bisher mehr als 5000 Exoplaneten bestätigt. Ein großer Höhepunktder Studien über Exoplaneten in den letzten zwanzig Jahren ist die Charakterisierung ihrer Atmosphäre mit Hilfe der Methode der Transmissionsspektroskopie. Diese Charakterisierung ist jedoch ein schwieriger Prozess, und manchmal wird in derLiteratur für den gleichen Planeten unterschiedliche Resultate bezüglich seiner Systemparameter gezeigt. Ein möglicher Grund für die beobachteten atmosphärischen Unstimmigkeiten könnte durch die Entartung des Impaktparameters herrühren, diein hohem Maße durch den Verdunkelungseffekt des Muttersterns beeinflusst wird.Eine kurze Einführung in diese Themen wird in Kapitel 1 gegeben, während die Motivation und die Ziele dieser Arbeit in Kapitel 2 beschrieben werden.Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Herkunft von Merkmalen im Transmissionsspektrum, die Indikatoren für die Atmosphäre eines Exoplaneten sind; obsie real sind oder durch die Entartung des Impaktparameters beeinflusst werden. Einzweites Ziel ist es, festzustellen, ob die Photometrie aus dem Weltraum mit Hilfe desTransiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) die atmosphärischen Systemparameter bekannter Exoplanetensysteme verbessern könnte. Drei Einzelprojekte wurdendurchgeführt, um diese Ziele zu erreichen. Die drei Manuskripte werden in der Manuskriptübersicht in Kapitel 3 kurz vorgestellt.Genauer gesagt, wird in Kapitel 4 das erste Manuskript vorgestellt, welches eineerweiterte Untersuchung der Entartung des Impaktparameters und seine Anwendungauf synthetische Transmissionsspektren darstellt. Offensichtlich ist die Randverdunkelung des Muttersterns ein wichtiger Treiber für diesen Effekt. Sie sorgt dafür, dass die Entartung über verschiedene Gruppen von Exoplaneten, die auf der Unsicherheitihrer Impaktparameters und dem Typ ihres Muttersterns beruhen, auftaucht. Daszweite Ziel wurde im zweiten und dritten Manuskript behandelt (Kapitel 5 und Kapitel 6, jeweils). Anhand von Beobachtungen der TESS-Mission wurden zwei Populationen von Exoplaneten untersucht: zehn transitierende, aufgeblähte heiße-Jupiter Planeten und 43 nicht-zentral transitierende. Möglicherweise kann die Verbesserungoder Bestätigung der Messungen der wichtigsten Systemparameter dazu beitragen,aktuelle oder zukünftige Diskrepanzen bei der Charakterisierung ihrer Atmosphärezu lösen.In Kapitel 7 werden die Schlussfolgerungen dieser Arbeit erörtert, während inKapitel 8 diskutiert wird, wie die Messungen von TESS in der Lage sein können,zwischen fehlerhaften Interpretationen von Transmissionsspektren zu unterscheiden,insbesondere bei Systemen, bei denen die Entartung des Impaktparameters wahrscheinlich nicht zutrifft. KW - Exoplaneten KW - exoplanets KW - atmosphere KW - Atmosphäre KW - photometry KW - Photometrie KW - transmission spectroscopy KW - Transmissionsspektroskopie KW - observations with TESS KW - Beobachtungen mit TESS Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-605659 ER - TY - THES A1 - Arboleda Zapata, Mauricio T1 - Adapted inversion strategies for electrical resistivity data to explore layered near-surface environments N2 - The electrical resistivity tomography (ERT) method is widely used to investigate geological, geotechnical, and hydrogeological problems in inland and aquatic environments (i.e., lakes, rivers, and seas). The objective of the ERT method is to obtain reliable resistivity models of the subsurface that can be interpreted in terms of the subsurface structure and petrophysical properties. The reliability of the resulting resistivity models depends not only on the quality of the acquired data, but also on the employed inversion strategy. Inversion of ERT data results in multiple solutions that explain the measured data equally well. Typical inversion approaches rely on different deterministic (local) strategies that consider different smoothing and damping strategies to stabilize the inversion. However, such strategies suffer from the trade-off of smearing possible sharp subsurface interfaces separating layers with resistivity contrasts of up to several orders of magnitude. When prior information (e.g., from outcrops, boreholes, or other geophysical surveys) suggests sharp resistivity variations, it might be advantageous to adapt the parameterization and inversion strategies to obtain more stable and geologically reliable model solutions. Adaptations to traditional local inversions, for example, by using different structural and/or geostatistical constraints, may help to retrieve sharper model solutions. In addition, layer-based model parameterization in combination with local or global inversion approaches can be used to obtain models with sharp boundaries. In this thesis, I study three typical layered near-surface environments in which prior information is used to adapt 2D inversion strategies to favor layered model solutions. In cooperation with the coauthors of Chapters 2-4, I consider two general strategies. Our first approach uses a layer-based model parameterization and a well-established global inversion strategy to generate ensembles of model solutions and assess uncertainties related to the non-uniqueness of the inverse problem. We apply this method to invert ERT data sets collected in an inland coastal area of northern France (Chapter~2) and offshore of two Arctic regions (Chapter~3). Our second approach consists of using geostatistical regularizations with different correlation lengths. We apply this strategy to a more complex subsurface scenario on a local intermountain alluvial fan in southwestern Germany (Chapter~4). Overall, our inversion approaches allow us to obtain resistivity models that agree with the general geological understanding of the studied field sites. These strategies are rather general and can be applied to various geological environments where a layered subsurface structure is expected. The flexibility of our strategies allows adaptations to invert other kinds of geophysical data sets such as seismic refraction or electromagnetic induction methods, and could be considered for joint inversion approaches. N2 - Die ERT-Methode (Electrical Resistivity Tomography) wird häufig zur Untersuchung geologischer, geotechnischer und hydrogeologischer Probleme im Binnenland und in Gewässern wie beispielsweise Seen, Flüssen oder dem Meer eingesetzt. Das Ziel der ERT-Methode ist es, zuverlässige Widerstandsmodelle des Untergrunds zu erhalten, die in Bezug auf die Struktur des Untergrundes und dessen petrophysikalischer Eigenschaften interpretiert werden können. Die Zuverlässigkeit der resultierenden Widerstandsmodelle hängt nicht nur von der Qualität der erfassten Daten ab, sondern auch von der angewendeten Inversionsstrategie. Die Inversion von ERT-Daten führt zu mehreren Lösungen, die die gemessenen Daten gleich gut erklären. Typische Inversionsansätze basieren auf verschiedenen deterministischen (lokalen) Strategien, die verschiedene Glättungs- und Dämpfungsstrategien berücksichtigen, um die Inversion zu stabilisieren. Diese Strategien haben jedoch den Nachteil, möglicherweise auftretende scharfe Grenzflächen zu verwischen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen der Untergrund durch Schichten mit scharfen Grenzflächen gekennzeichnet ist, die Schichten mit hohem Widerstandskontrast (z. B. bis zu mehreren Größenordnungen) voneinander trennen. Wenn Vorwissen (z. B. aus Aufschlüssen, Bohrungen oder anderen geophysikalischen Untersuchungen) auf scharfe Widerstandsvariationen hindeutet, kann es von Vorteil sein, die Parametrisierungs- und Inversionsstrategien anzupassen, um stabilere und geologisch zuverlässige Modelllösungen zu erhalten. Anpassungen traditioneller lokaler Inversionen, beispielweise durch die Verwendung verschiedener struktureller und/oder geostatistischer Bedingungen, können helfen, schärfere Modelllösungen zu erhalten. Zusätzlich kann eine schichtbasierte Modellparametrisierung in Kombination mit lokalen oder globalen Inversionsansätzen verwendet werden, um Modelle mit scharfen Grenzen zu erhalten. In dieser Arbeit habe ich drei typische geschichtete oberflächennahe Umgebungen untersucht, in denen Vorabinformationen verwendet werden, um 2D-Inversionsstrategien so anzupassen, dass geschichtete Untergrundlösungen bevorzugt werden. In Zusammenarbeit mit den Co-Autoren der Kapitel 2-4 habe ich zwei allgemeine Strategien in Betracht gezogen. Unser erster Ansatz verwendet eine schichtbasierte Modellparametrisierung und eine gut etablierte globale Inversionsstrategie. Diese Strategie erzeugt Ensembles von Modelllösungen mithilfe derer die Unsicherheiten im Zusammenhang der Nicht-Eindeutigkeit des inversen Problems bewertet werden können. Wir wenden diese Methode an, um ERT-Datensätze zu invertieren, die in einem Binnenküstengebiet in Nordfrankreich (Kapitel 2) und vor der Küste zweier arktischer Regionen (Kapitel 3) gesammelt wurden. Unser zweiter Ansatz besteht darin, geostatistische Regularisierungen mit unterschiedlichen Korrelationslängen zu verwenden. Wir wenden diese Strategie auf ein komplexeres Untergrundszenario an, das sich auf einen lokalen Schwemmfächer in einem Mittelgebirge im Südwesten Deutshclands umfasst (Kapitel 4). Insgesamt ermöglichen uns unsere Inversionsansätze, Widerstandsmodelle zu erhalten, die mit dem allgemeinen geologischen Verständnis der untersuchten Feldstandorte übereinstimmen. Diese Strategien sind allgemeingültig und können in verschiedenen geologischen Umgebungen angewandt werden, in denen eine geschichtete Struktur des Untergrunds zu erwarten ist. Zudem erlaubt es die Flexibilität unserer Strategien, dass diese an die Inversion anderer geophysikalischer Datensätze wie seismischer Refraktionsmessungen oder elektromagentischer Induktionsverfahren angepasst werden können. Außerdem könnten solche Strategien für gemeinsame Inversionsansätze in Betracht gezogen werden. KW - Near-surface geophysics KW - Electrical resistivity tomography KW - Non-uniqueness KW - Global inversion KW - Particle swarm optimization KW - Ensemble analysis KW - Oberflächennahe Geophysik KW - Tomographie des elektrischen Widerstands KW - Nicht-Einmaligkeit KW - Globale Inversion KW - Partikelschwarm-Optimierung KW - Ensemble-Analyse Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581357 ER - TY - THES A1 - Arntz, Fabian T1 - Intervention and moderation of physical fitness in children with physical fitness deficits - Results of the SMaRTER study T1 - Intervention und Moderation der körperlichen Fitness bei Kindern mit körperlichen Fitnessdefiziten - Ergebnisse der SMaRTER-Studie N2 - Background: Physical fitness is a key aspect of children’s ability to perform activities of daily living, engage in leisure activities, and is associated with important health characteristics. As such, it shows multi-directional associations with weight status as well as executive functions, and varies according to a variety of moderating factors, such as the child’s gender, age, geographical location, and socioeconomic conditions and context. The assessment and monitoring of children’s physical fitness has gained attention in recent decades, as has the question of how to promote physical fitness through the implementation of a variety of programs and interventions. However, these programs and interventions rarely focus on children with deficits in their physical fitness. Due to their deficits, these children are at the highest risk of suffering health impairments compared to their more average fit peers. In efforts to promote physical fitness, schools could offer promising and viable approaches to interventions, as they provide access to large youth populations while providing useful infrastructure. Evidence suggests that school-based physical fitness interventions, particularly those that include supplementary physical education, are useful for promoting and improving physical fitness in children with normal fitness. However, there is little evidence on whether these interventions have similar or even greater effects on children with deficits in their physical fitness. Furthermore, the question arises whether these measures help to sustainably improve the development/trajectories of physical fitness in these children. The present thesis aims to elucidate the following four objectives: (1) to evaluate the effects of a 14 week intervention with 2 x 45 minutes per week additional remedial physical education on physical fitness and executive function in children with deficits in their physical fitness; (2) to assess moderating effects of body height and body mass on physical fitness components in children with physical fitness deficits; (3) to assess moderating effects of age and skeletal growth on physical fitness in children with physical fitness deficits; and (4) to analyse moderating effects of different physical fitness components on executive function in children with physical fitness deficits. Methods: Using physical fitness data from the EMOTIKON study, 76 third graders with physical fitness deficits were identified in 11 schools in Brandenburg state that met the requirements for implementing a remedial physical education intervention (i.e., employing specially trained physical education teachers). The fitness intervention was implemented in a cross-over design and schools were randomly assigned to either an intervention-control or control-intervention group. The remedial physical education intervention consisted of a 14 week, 2 x 45 minutes per week remedial physical education curriculum supplemented by a physical exercise homework program. Assessments were conducted at the beginning and end of each intervention and control period, and further assessments were conducted at the beginning and end of each school year until the end of sixth grade. Physical fitness as the primary outcome was assessed using fitness tests implemented in the EMOTIKON study (i.e., lower body muscular strength (standing long jump), speed (20 m sprint), cardiorespiratory fitness (6 min run), agility (star run), upper body muscular strength (ball push test), and balance (one leg balance)). Executive functions as a secondary outcome were assessed using attention and psychomotor processing speed (digit symbol substitution test), mental flexibility and fine motor skills (trail making test), and inhibitory control (Simon task). Anthropometric measures such as body height, body mass, maturity offset, and body composition parameters, as well as socioeconomic information were recorded as potential moderators. Results: (1) The evaluation of possible effects of the remedial physical education intervention on physical fitness and executive functions of children with deficits in their physical fitness did not reveal any detectable intervention-related improvements in physical fitness or executive functions. The implemented analysis strategies also showed moderating effects of body mass index (BMI) on performance in 6 min run, star run, and standing long jump, with children with a lower BMI performing better, moderating effects of proximity to Berlin on performance in the 6 min run and standing long jump, better performances being found in children living closer to Berlin, and overall gendered differences in executive function test performance, with boys performing better compared to girls. (2) Analysing moderating effects of body height and body mass on physical fitness performance, better overall physical fitness performance was found for taller children. For body mass, a negative effect was found on performance in the 6 min run (linear), standing long jump (linear), and 20 m sprint (quadratic), with better performance associated with lighter children, and a positive effect of body mass on performance in the ball push test, with heavier children performing better. In addition, the analysis revealed significant interactions between body height and body mass on performance in 6 min run and 20 m sprint, with higher body mass being associated with performance improvements in larger children, while higher body mass was associated with performance declines in smaller children. In addition, the analysis revealed overall age-related improvements in physical fitness and was able to show that children with better overall physical fitness also elicit greater age-related improvements. (3) In the analysis of moderating effects of age and maturity offset on physical fitness performances, two unrotated principal components of z-transformed age and maturity offset values were calculated (i.e., relative growth = (age + maturity offset)/2; growth delay = (age - maturity offset)) to avoid colinearity. Analysing these constructs revealed positive effects of relative growth on performances in star run, 20 m sprint, and standing long jump, with children of higher relative growth performing better. For growth delay, positive effects were found on performances in 6 min run and 20 m sprint, with children having larger growth delays showing better performances. Further, the model revealed gendered differences in 6 min run and 20 m sprint performances with girls performing better than boys. (4) Analysing the effects of physical fitness tests on executive function revealed a positive effect of star run and one leg balance performance and a negative effect of 6 min run performance on reaction speed in the Simon task. However, these effects were not detectable when individual differences were accounted for. Then these effects showed overall positive effects, with better performances being associated with faster reaction speeds. In addition, the analysis revealed a positive correlation between overall reaction speed and effects of the 6 min run, suggesting that children with greater effects of 6 min run had faster overall reaction speeds. Negative correlations were found between star run effects and age effects on Simon task reaction speed, meaning that children with larger star run effects had smaller age effects, and between 6 min run effects and star run effects on Simon task reaction speed, meaning that children with larger 6 min run effects tended to have smaller star run effects on Simon task reaction speed and vice versa. Conclusions: (1) The lack of detectable intervention-related effects could have been caused by an insufficient intervention period, by the implementation of comprehensive and thus non- specific exercises, or by both. Accordingly, longer intervention periods and/or more specific exercises may have been more beneficial and could have led to detectable improvements in physical fitness and/or executive function. However, it remains unclear whether these interventions can benefit children with deficits in physical fitness, as it is possible that their deficits are not caused by a mere lack of exercise, but rather depend on the socioeconomic conditions of the children and their families and areas. Therefore, further research is needed to assess the moderation of physical fitness in children with physical fitness deficits and, in particular, the links between children’s environment and their physical fitness trajectories. (2) Findings from this work suggest that using BMI as a composite of body height and body mass may not be able to capture the variation associated with these parameters and their interactions. In particular, because of their multidirectional associations, further research would help elucidate how BMI and its subcomponents influence physical fitness and how they vary between children with and without physical fitness deficits. (3) The assessment of growth- related changes indicated negative effects associated with the growth spurt approaching age of peak height velocity, and furthermore showed significant differences in these effects between children. Thus, these effects and possible interindividual differences should be considered in the assessment of the development of physical fitness in children. (4) Furthermore, this work has shown that the associations between physical fitness and executive functions vary between children and may be moderated by children’s socioeconomic conditions and the structure of their daily activities. Further research is needed to explore these associations using approaches that account for individual variance. N2 - Hintergrund: Die körperliche Fitness ist ein zentraler Aspekt der Fähigkeit von Kindern, Aktivitäten des täglichen Lebens auszuführen, sich in der Freizeit zu betätigen, und wird mit wichtigen Gesundheitsmerkmalen in Verbindung gebracht. Als solche zeigt sie multidirektionale Assoziationen mit dem Gewichtsstatus sowie den exekutiven Funktionen und variiert in Abhängigkeit von einer Vielzahl moderierender Faktoren wie dem Geschlecht, dem Alter, dem geografischen Standort und den sozioökonomischen Bedingungen und Kontexten des Kindes. Die Bewertung und Beobachtung der körperlichen Fitness von Kindern hat in den letzten Jahrzehnten an Aufmerksamkeit gewonnen, ebenso wie die Frage, wie die körperliche Fitness durch die Umsetzung einer Vielzahl von Programmen und Maßnahmen gefördert werden kann. Allerdings konzentrieren sich diese Programme und Maßnahmen nur selten auf Kinder mit Defiziten in ihrer körperlichen Fitness. Aufgrund ihrer Defizite haben diese Kinder im Vergleich zu ihren durchschnittlich fitten Mitschülern das höchste Risiko, gesundheitliche Beeinträchtigungen zu erleiden. Bei Bemühungen zur Förderung der körperlichen Fitness könnten Schulen vielversprechende und praktikable Ansätze für Interventionen bieten, da sie Zugang zu großen Teilen der jüngeren Bevölkerung bieten und gleichzeitig eine nützliche Infrastruktur bereitstellen. Es gibt Hinweise darauf, dass schulische Maßnahmen zur Förderung der körperlichen Fitness, insbesondere solche, die einen zusätzlichen Sportunterricht beinhalten, für die Förderung und Verbesserung der körperlichen Fitness von Kindern mit normaler Fitness nützlich sind. Es gibt jedoch nur wenige Belege dafür, ob diese Maßnahmen ähnliche oder sogar größere Auswirkungen auf Kinder mit Defiziten in ihrer körperlichen Fitness haben. Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob diese Maßnahmen dazu beitragen, die Entwicklung/den Verlauf der körperlichen Fitness dieser Kinder nachhaltig zu verbessern. Mit der vorliegenden Arbeit sollen die folgenden vier Ziele untersucht werden: (1) Evaluierung der Auswirkungen einer 14-wöchigen Intervention mit 2 x 45 Minuten pro Woche zusätzlichem Sportförderunterricht auf die körperliche Fitness und die exekutive Funktion bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness; (2) Bewertung der moderierenden Effekte von Körperhöhe und Körpermasse auf die Komponenten der körperlichen Fitness bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness; (3) Bewertung der moderierenden Effekte von Alter und Skelettwachstum auf die körperliche Fitness bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness; und (4) Analyse der moderierenden Effekte der verschiedenen Komponenten der körperlichen Fitness auf die exekutive Funktion bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness. Methoden: Anhand von Daten zur körperlichen Fitness aus der EMOTIKON-Studie wurden 76 Drittklässler mit Defiziten in der körperlichen Fitness in 11 Schulen im Land Brandenburg identifiziert, die die Voraussetzungen für die Durchführung einer Fördermaßnahme im Sportunterricht erfüllten (d. h. speziell ausgebildete Sportlehrer beschäftigten). Die Fitnessintervention wurde in einem Cross-over-Design durchgeführt, und die Schulen wurden nach dem Zufallsprinzip entweder einer Interventions-Kontroll- oder einer Kontroll-Interventionsgruppe zugewiesen. Der Sportunterricht bestand aus einem 14-wöchigen, 2 x 45 Minuten pro Woche dauernden Sportunterricht, der durch ein Hausaufgabenprogramm für körperliche Übungen ergänzt wurde. Messungen wurden zu Beginn und am Ende jedes Interventions- und Kontrollzeitraums sowie zu Beginn und am Ende eines jeden Schuljahres bis zum Ende der sechsten Klasse durchgeführt. Die körperliche Fitness als primäres Ergebnis wurde anhand von Fitnesstests ermittelt, die im Rahmen der EMOTIKON-Studie durchgeführt wurden (d. h. Muskelkraft der unteren Körperhälfte (Standweitsprung), Schnelligkeit (20-m-Sprint), kardiorespiratorische Fitness (6-Minuten-Lauf), Beweglichkeit (Sternlauf), Muskelkraft der oberen Körperhälfte (Kugelstoßtest) und Gleichgewicht (Einbeinstand)). Exekutive Funktionen als sekundäres Ergebnis wurden anhand der Aufmerksamkeit und der psychomotorischen Verarbeitungsgeschwindigkeit (Digit Symbol Substitution Test), der geistigen Flexibilität und der Feinmotorik (Trail Making Test) sowie der hemmenden Kontrolle (Simon Task) untersucht. Anthropometrische Maße wie Körperhöhe, Körpermasse, Maturity Offset und Parameter der Körperzusammensetzung sowie sozioökonomische Informationen wurden als potenzielle Moderatoren erfasst. Ergebnisse: (1) Die Evaluation möglicher Effekte der Sportförderunterrichts-Intervention auf die körperliche Fitness und die exekutiven Funktionen von Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness ergab keine nachweisbaren interventionsbedingten Verbesserungen der körperlichen Fitness oder der exekutiven Funktionen. Die implementierten Analysestrategien zeigten auch moderierende Effekte des Body-Mass-Index (BMI) auf die Leistungen im 6-Minuten-Lauf, im Sternlauf und im Standweitsprung, wobei Kinder mit einem niedrigeren BMI bessere Leistungen erbrachten, moderierende Effekte der Nähe zu Berlin auf die Leistungen im 6-Minuten-Lauf und im Standweitsprung, wobei Kinder, die näher an Berlin wohnten, bessere Leistungen erbrachten, sowie allgemeine geschlechtsspezifische Unterschiede bei den Leistungen im Exekutivfunktionstest, wobei Jungen besser abschnitten als Mädchen. (2) Die Analyse der moderierenden Effekte von Körperhöhe und Körpermasse auf die körperliche Fitnessleistung ergab, dass größere Kinder insgesamt eine bessere körperliche Fitnessleistung erbrachten. Darüber hinaus ergab die Analyse signifikante Wechselwirkungen zwischen Körperhöhe und Körpermasse auf die Leistung im 6-Minuten-Lauf und im 20-Meter-Sprint, wobei eine höhere Körpermasse mit Leistungsverbesserungen bei größeren Kindern verbunden war, während eine höhere Körpermasse mit Leistungseinbußen bei kleineren Kindern einherging. Darüber hinaus ergab die Analyse altersbedingte Gesamtverbesserungen der körperlichen Fitness und konnte zeigen, dass Kinder mit einer besseren allgemeinen körperlichen Fitness auch größere altersbedingte Verbesserungen erzielen. (3) Bei der Analyse der moderierenden Effekte von Alter und Reifeverschiebung auf die körperlichen Fitnessleistungen wurden zwei nicht rotierte Hauptkomponenten der z-transformierten Werte von Alter und Reifeverschiebung berechnet (d. h. relatives Wachstum = (Alter + Reifeverschiebung)/2; Wachstumsverzögerung = (Alter - Reifeverschiebung)), um Kolinearität zu vermeiden. Die Analyse dieser Konstrukte ergab positive Auswirkungen des relativen Wachstums auf die Leistungen im Sternlauf, im 20-m-Sprint und im Standweitsprung, wobei Kinder mit einem höheren relativen Wachstum bessere Leistungen erzielten. Für die Wachstumsverzögerung wurden positive Effekte auf die Leistungen im 6-Minuten-Lauf und im 20-Meter-Sprint festgestellt, wobei Kinder mit einer größeren Wachstumsverzögerung bessere Leistungen zeigten. Darüber hinaus zeigte das Modell geschlechtsspezifische Unterschiede bei den Leistungen im 6-Minuten-Lauf und im 20-Meter-Sprint, wobei Mädchen besser abschnitten als Jungen. (4) Die Analyse der Effekte der körperlichen Fitnesstests auf die exekutive Funktion ergab einen positiven Effekt des Sternlaufs und der einbeinigen Gleichgewichtsleistung und einen negativen Effekt der 6-minütigen Laufleistung auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe. Diese Effekte waren jedoch nicht nachweisbar, wenn die individuellen Unterschiede im Modell berücksichtigt wurden. Dann zeigten diese Effekte insgesamt positive Auswirkungen, wobei bessere Leistungen mit schnelleren Reaktionsgeschwindigkeiten verbunden waren. Darüber hinaus ergab die Analyse eine positive Korrelation zwischen der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit und den Effekten des 6-Minuten-Laufs, was darauf hindeutet, dass Kinder mit größeren Effekten des 6-Minuten-Laufs eine schnellere Gesamtreaktionsgeschwindigkeit aufwiesen. Negative Korrelationen wurden zwischen Sternlaufeffekten und Alterseffekten auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe gefunden, was bedeutet, dass Kinder mit größeren Sternlaufeffekten kleinere Alterseffekte hatten, und zwischen 6-Minuten-Laufeffekten und Sternlaufeffekten auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe, was bedeutet, dass Kinder mit größeren 6-Minuten-Laufeffekten tendenziell kleinere Sternlaufeffekte auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Simon-Aufgabe hatten und umgekehrt. Fazit: (1) Das Fehlen nachweisbarer interventionsbezogener Effekte könnte durch eine unzureichende Interventionsdauer, durch die Durchführung umfassender und damit unspezifischer Übungen oder durch eine Kombination beider Faktoren verursacht worden sein. Dementsprechend könnten längere Interventionszeiträume und/oder spezifischere Übungen vorteilhafter gewesen sein und zu nachweisbaren Verbesserungen der körperlichen Fitness und/oder der exekutiven Funktionen geführt haben. Es bleibt jedoch unklar, ob diese Interventionen Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness zugute kommen können, da es möglich ist, dass ihre Defizite nicht durch einen bloßen Bewegungsmangel verursacht werden, sondern vielmehr von den sozioökonomischen Bedingungen der Kinder und ihrer Familien und Gegenden abhängen. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Moderation der körperlichen Fitness bei Kindern mit Defiziten in der körperlichen Fitness und insbesondere die Zusammenhänge zwischen dem Umfeld der Kinder und ihrer Entwicklung der körperlichen Fitness zu analysieren. (2) Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Verwendung des BMI als Kompositum von Körperhöhe und Körpermasse möglicherweise nicht in der Lage ist, die mit diesen Parametern und ihren Wechselwirkungen verbundene Variation zu erfassen. Insbesondere aufgrund ihrer multidirektionalen Zusammenhänge würde weitere Forschung dazu beitragen, zu klären, wie der BMI und seine Unterkomponenten die körperliche Fitness beeinflussen und wie sie zwischen Kindern mit und ohne körperliche Fitnessdefizite variieren. (3) Die Bewertung der wachstumsbedingten Veränderungen deutete auf negative Auswirkungen im Zusammenhang mit dem Wachstumsschub hin, der sich dem Alter der Spitzen-Höhengeschwindigkeit nähert, und zeigte darüber hinaus signifikante Unterschiede bei diesen Auswirkungen zwischen Kindern. Daher sollten diese Effekte und mögliche interindividuelle Unterschiede bei der Bewertung der Entwicklung der körperlichen Fitness von Kindern berücksichtigt werden. (4) Darüber hinaus hat diese Arbeit gezeigt, dass die Zusammenhänge zwischen körperlicher Fitness und exekutiven Funktionen von Kind zu Kind unterschiedlich sind und möglicherweise durch die sozioökonomischen Bedingungen der Kinder und die Struktur ihrer täglichen Aktivitäten moderiert werden könnten. Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Zusammenhänge mit Hilfe von Ansätzen zu untersuchen, die die individuelle Varianz berücksichtigen. KW - physical fitness KW - deficites KW - children KW - remedial physical education KW - intervention KW - linear mixed models KW - cognition KW - Kinder KW - Kognition KW - Defizit KW - Intervention KW - lineare gemischte Modelle KW - körperliche Fitness KW - Sportförderunterricht Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622607 ER - TY - THES A1 - Badetko, Dominik T1 - Untersuchungen zur Totalsynthese von Arylnaphthalen-Lignanen mittels Photo-Dehydro-Diels-Alder-Reaktion als Schlüsselschritt T1 - Studies on the total synthesis of arylnaphthalene lignans using Photo-Dehydro-Diels-Alder reaction as a key step N2 - Im Rahmen dieser Dissertation wurden die erstmaligen Totalsynthesen der Arylnaphthalen-Lignane Alashinol D, Vitexdoin C, Vitrofolal E, Noralashinol C1 und Ternifoliuslignan E vorgestellt. Der Schlüsselschritt der entwickelten Methode, basiert auf einer regioselektiven intramolekularen Photo-Dehydro-Diels-Alder (PDDA)-Reaktion, die mittels UV-Strahlung im Durchflussreaktor durchgeführt wurde. Bei der Synthese der PDDA-Vorläufer (Diarylsuberate) wurde eine Synthesestrategie nach dem Baukastenprinzip verfolgt. Diese ermöglicht die Darstellung asymmetrischer komplexer Systeme aus nur wenigen Grundbausteinen und die Totalsynthese einer Vielzahl an Lignanen. In systematischen Voruntersuchungen konnte zudem die klare Überlegenheit der intra- gegenüber der intermolekularen PDDA-Reaktion aufgezeigt werden. Dabei stellte sich eine Verknüpfung der beiden Arylpropiolester über einen Korksäurebügel, in para-Position, als besonders effizient heraus. Werden asymmetrisch substituierte Diarylsuberate, bei denen einer der endständigen Estersubstituenten durch eine Trimethylsilyl-Gruppe oder ein Wasserstoffatom ersetzt wurde, verwendet, durchlaufen diese Systeme eine regioselektive Cyclisierung und als Hauptprodukt werden Naphthalenophane mit einem Methylester in 3-Position erhalten. Mit Hilfe von umfangreichen Experimenten zur Funktionalisierung der 4-Position, konnte zudem gezeigt werden, dass die Substitution der nucleophilen Cycloallen-Intermediate, während der PDDA-Reaktion, generell durch die Zugabe von N-Halogen-Succinimiden möglich ist. In Anbetracht der geringen Ausbeuten haben diese intermolekularen Abfangreaktionen, jedoch keinen präparativen Nutzen für die Totalsynthesen von Lignanen. Mit dem Ziel die allgemeinen photochemischen Reaktionsbedingungen zu optimieren, wurde erstmalig die triplettsensibilisierte PDDA-Reaktion vorgestellt. Durch die Verwendung von Xanthon als Sensibilisator wurde der Einsatz von effizienteren UVA-Lichtquellen ermöglicht, wodurch die Gefahr einer Photozersetzung durch Überbestrahlung minimiert wurde. Im Vergleich zur direkten Anregung mit UVB-Strahlung, konnten die Ausbeuten mit indirekter Anregung durch einen Photokatalysator signifikant gesteigert werden. Die grundlegenden Erkenntnisse und die entwickelten Synthesestrategien dieser Arbeit, können dazu beitragen zukünftig die Erschließung neuer pharmakologisch interessanter Lignane voranzutreiben. 1 Bisher ist nur die semisynthetische Darstellung von Noralashinol C ausgehend von Hydroxymatairesinol literaturbekannt. N2 - In this dissertation, the first total syntheses of the arylnaphthalene lignans alashinol D, vitexdoin C, vitrofolal E, noralashinol C (1) and ternifoliuslignan E were presented. The key step of the developed method, is based on a regioselective intramolecular photo-dehydro-Diels-Alder (PDDA) reaction, which was carried out using UV radiation in a flow reactor. For the synthesis of the PDDA precursors (diaryl suberates), a synthesis strategy based on the modular principle was followed. This allows the preparation of asymmetric complex systems from only a few basic building blocks and the total synthesis of a large number of lignans. Systematic preliminary studies have also demonstrated the clear superiority of the intra- versus intermolecular PDDA reaction. In this context, linking the two arylpropiol esters via a subaric acide linker, in the para position, was found to be particularly efficient. If asymmetrically substituted diaryl suberates, in which one of the terminal ester substituents has been replaced by a trimethylsilyl group or a hydrogen atom, are used, these systems undergo regioselective cyclization and naphthalenophanes with a methyl ester in the 3-position are obtained as the main product. With the help of extensive experiments on the functionalization of the 4-position, it was also shown that the substitution of the nucleophilic cycloallen intermediates, during the PDDA reaction, is generally possible by the addition of N-halogen succinimides. Considering the low yields, these intermolecular interception reactions, however, have no preparative utility for the total syntheses of lignans. With the aim of optimizing the general photochemical reaction conditions, the triplet-sensitized PDDA reaction was presented for the first time. The use of xanthone as a sensitizer enabled the use of more efficient UVA light sources, minimizing the risk of photodecomposition due to overirradiation. Compared to direct excitation with UVB radiation, yields were significantly increased with indirect excitation by a photocatalyst. The basic findings and the developed synthesis strategies of this work, may contribute to the future development of new pharmacologically interesting lignans. (1) So far, only the semisynthetic preparation of noralashinol C starting from hydroxymatairesinol is is known from the literature. KW - Totalsynthese KW - Arylnaphthalen-Lignane KW - Photo-Dehydro-Diels-Alder-Reaktion KW - Arylnaphthalene lignans KW - Photo-Dehydro-Diels-Alder reaction KW - total synthesis Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-593065 ER - TY - THES A1 - Bano, Dorina T1 - Discovering data models from event logs T1 - Entdecken von Datenmodellen aus Ereignisprotokollen N2 - In the last two decades, process mining has developed from a niche discipline to a significant research area with considerable impact on academia and industry. Process mining enables organisations to identify the running business processes from historical execution data. The first requirement of any process mining technique is an event log, an artifact that represents concrete business process executions in the form of sequence of events. These logs can be extracted from the organization's information systems and are used by process experts to retrieve deep insights from the organization's running processes. Considering the events pertaining to such logs, the process models can be automatically discovered and enhanced or annotated with performance-related information. Besides behavioral information, event logs contain domain specific data, albeit implicitly. However, such data are usually overlooked and, thus, not utilized to their full potential. Within the process mining area, we address in this thesis the research gap of discovering, from event logs, the contextual information that cannot be captured by applying existing process mining techniques. Within this research gap, we identify four key problems and tackle them by looking at an event log from different angles. First, we address the problem of deriving an event log in the absence of a proper database access and domain knowledge. The second problem is related to the under-utilization of the implicit domain knowledge present in an event log that can increase the understandability of the discovered process model. Next, there is a lack of a holistic representation of the historical data manipulation at the process model level of abstraction. Last but not least, each process model presumes to be independent of other process models when discovered from an event log, thus, ignoring possible data dependencies between processes within an organization. For each of the problems mentioned above, this thesis proposes a dedicated method. The first method provides a solution to extract an event log only from the transactions performed on the database that are stored in the form of redo logs. The second method deals with discovering the underlying data model that is implicitly embedded in the event log, thus, complementing the discovered process model with important domain knowledge information. The third method captures, on the process model level, how the data affects the running process instances. Lastly, the fourth method is about the discovery of the relations between business processes (i.e., how they exchange data) from a set of event logs and explicitly representing such complex interdependencies in a business process architecture. All the methods introduced in this thesis are implemented as a prototype and their feasibility is proven by being applied on real-life event logs. N2 - In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich Process Mining von einer Nischendisziplin zu einem bedeutenden Forschungsgebiet mit erheblichen Auswirkungen auf Wissenschaft und Industrie entwickelt. Process Mining ermöglicht es Unternehmen, die laufenden Geschäftsprozesse anhand historischer Ausführungsdaten zu identifizieren. Die erste Voraussetzung für jede Process-Mining-Technik ist ein Ereignisprotokoll (Event Log), ein Artefakt, das konkrete Geschäftsprozessausführungen in Form einer Abfolge von Ereignissen darstellt. Diese Protokolle (Logs) können aus den Informationssystemen der Unternehmen extrahiert werden und ermöglichen es Prozessexperten, tiefe Einblicke in die laufenden Unternehmensprozesse zu gewinnen. Unter Berücksichtigung der Abfolge der Ereignisse in diesen Protokollen (Logs) können Prozessmodelle automatisch entdeckt und mit leistungsbezogenen Informationen erweitert werden. Neben verhaltensbezogenen Informationen enthalten Ereignisprotokolle (Event Logs) auch domänenspezifische Daten, wenn auch nur implizit. Solche Daten werden jedoch in der Regel nicht in vollem Umfang genutzt. Diese Arbeit befasst sich im Bereich Process Mining mit der Forschungslücke der Extraktion von Kontextinformationen aus Ereignisprotokollen (Event Logs), die von bestehenden Process Mining-Techniken nicht erfasst werden. Innerhalb dieser Forschungslücke identifizieren wir vier Schlüsselprobleme, bei denen wir die Ereignisprotokolle (Event Logs) aus verschiedenen Perspektiven betrachten. Zunächst befassen wir uns mit dem Problem der Erfassung eines Ereignisprotokolls (Event Logs) ohne hinreichenden Datenbankzugang. Das zweite Problem ist die unzureichende Nutzung des in Ereignisprotokollen (Event Logs) enthaltenen Domänenwissens, das zum besseren Verständnis der generierten Prozessmodelle beitragen kann. Außerdem mangelt es an einer ganzheitlichen Darstellung der historischen Datenmanipulation auf Prozessmodellebene. Nicht zuletzt werden Prozessmodelle häufig unabhängig von anderen Prozessmodellen betrachtet, wenn sie aus Ereignisprotokollen (Event Logs) ermittelt wurden. Dadurch können mögliche Datenabhängigkeiten zwischen Prozessen innerhalb einer Organisation übersehen werden. Für jedes der oben genannten Probleme schlägt diese Arbeit eine eigene Methode vor. Die erste Methode ermöglicht es, ein Ereignisprotokoll (Event Log) ausschließlich anhand der Historie der auf einer Datenbank durchgeführten Transaktionen zu extrahieren, die in Form von Redo-Logs gespeichert ist. Die zweite Methode befasst sich mit der Entdeckung des zugrundeliegenden Datenmodells, das implizit in dem jeweiligen Ereignisprotokoll (Event Log) eingebettet ist, und ergänzt so mit das entdeckte Prozessmodell mit wichtigen, domänenspezifischen Informationen. Bei der dritten Methode wird auf der Ebene des Prozess- modells erfasst, wie sich die Daten auf die laufenden Prozessinstanzen auswirken. Die vierte Methode befasst sich schließlich mit der Entdeckung der Beziehungen zwischen Geschäftsprozessen (d.h. deren Datenaustausch) auf Basis der jeweiligen Ereignisprotokolle (Event Logs), sowie mit der expliziten Darstellung solcher komplexen Abhängigkeiten in einer Geschäftsprozessarchitektur. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Methoden sind als Prototyp implementiert und ihre Anwendbarkeit wird anhand ihrer Anwendung auf reale Ereignisprotokolle (Event Logs) nachgewiesen. KW - process mining KW - data models KW - business process architectures KW - Datenmodelle KW - Geschäftsprozessarchitekturen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-585427 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - Paläoklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte Übergänge KW - Selbstähnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 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 -