TY  - THES
A1  - Naseri, Gita
T1  - Plant-derived transcription factors and their application for synthetic biology approaches in Saccharomyces cerevisiae
T1  - Pflanzenbasierte Transkriptionsfaktoren und ihre Anwendungen in der synthetischen Biologie in Saccharomyces cerevisiae
N2  - Bereits seit 9000 Jahren verwendet die Menschheit die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae für das Brauen von Bier, aber erst seit 150 Jahren wissen wir, dass es sich bei diesem unermüdlichen Helfer im Brauprozess um einzellige, lebende Organismen handelt. Und die Bäckerhefe kann noch viel mehr. Im Rahmen des Forschungsgebietes der Synthetischen Biologie soll unter anderem die Bäckerhefe als innovatives Werkzeug für die biobasierte Herstellung verschiedenster Substanzen etabliert werden. Zu diesen Substanzen zählen unter anderem Feinchemikalien, Biokraftstoffe und Biopolymere sowie pharmakologisch und medizinisch interessante Pflanzenstoffe.
Damit diese verschiedensten Substanzen in der Bäckerhefe hergestellt werden können, müssen große Mengen an Produktionsinformationen zum Beispiel aus Pflanzen in die Hefezellen übertragen werden. Darüber hinaus müssen die neu eingebrachten Biosynthesewege reguliert und kontrolliert in den Zellen ablaufen. Auch Optimierungsprozesse zur Erhöhung der Produktivität sind notwendig. Für alle diese Arbeitsschritte mangelt es bis heute an anwendungsbereiten Technologien und umfassenden Plattformen. Daher wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit verschiedene Technologien und Plattformen zur Informationsübertragung, Regulation und Prozessoptimierung geplant und erzeugt.
Für die Konstruktion von Biosynthesewegen in der Bäckerhefe wurde als erstes eine Plattform aus neuartigen Regulatoren und Kontrollelementen auf der Basis pflanzlicher Kontrollelemente generiert und charakterisiert. Im zweiten Schritt erfolgte die Entwicklung einer Technologie zur kombinatorischen Verwendung der Regulatoren in der Planung und Optimierung von Biosynthesewegen (COMPASS). Abschließend wurde eine Technologie für die Prozessoptimierung der veränderten Hefezellen entwickelt (CapRedit). Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Plattformen und Technologien wurde durch eine Optimierung der Produktion von Carotenoiden (Beta-Carotin und Beta-Ionon) und Flavonoiden (Naringenin) in Hefezellen nachgewiesen.
Die im Rahmen der Arbeit etablierten neuartigen Plattformen und innovativen Technologien sind ein wertvoller Grundbaustein für die Erweiterung der Nutzbarkeit der Bäckerhefe. Sie ermöglichen den Einsatz der Hefezellen in kosteneffizienten Produktionswegen und alternativen chemischen Wertschöpfungsketten. Dadurch können zum Beispiel Biokraftstoffe und pharmakologisch interessante Pflanzenstoffe unter Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen, Reststoffen und Nebenprodukten hergestellt werden. Darüber hinaus ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten zur Bodensanierung und Wasseraufbereitung.
N2  - Plant-derived Transcription Factors for Orthologous Regulation of Gene Expression in the Yeast Saccharomyces cerevisiae
Control of gene expression by transcription factors (TFs) is central in many synthetic biology projects where tailored expression of one or multiple genes is often needed. As TFs from evolutionary distant organisms are unlikely to affect gene expression in a host of choice, they represent excellent candidates for establishing orthogonal control systems. To establish orthogonal regulators for use in yeast (Saccharomyces cerevisiae), we chose TFs from the plant Arabidopsis thaliana. We established a library of 106 different combinations of chromosomally integrated TFs, activation domains (yeast GAL4 AD, herpes simplex virus VP64, and plant EDLL) and synthetic promoters harbouring cognate cis-regulatory motifs driving a yEGFP reporter. Transcriptional output of the different driver / reporter combinations varied over a wide spectrum, with EDLL being a considerably stronger transcription activation domain in yeast, than the GAL4 activation domain, in particular when fused to Arabidopsis NAC TFs. Notably, the strength of several NAC - EDLL fusions exceeded that of the strong yeast TDH3 promoter by 6- to 10-fold. We furthermore show that plant TFs can be used to build regulatory systems encoded by centromeric or episomal plasmids. Our library of TF – DNA-binding site combinations offers an excellent tool for diverse synthetic biology applications in yeast.

COMPASS: Rapid combinatorial optimization of biochemical pathways based on artificial transcription factors

We established a high-throughput cloning method, called COMPASS for COMbinatorial Pathway ASSembly, for the balanced expression of multiple genes in Saccharomyces cerevisiae. COMPASS employs orthogonal, plant-derived artificial transcription factors (ATFs) for controlling the expression of pathway genes, and homologous recombination-based cloning for the generation of thousands of individual DNA constructs in parallel. The method relies on a positive selection of correctly assembled pathway variants from both, in vivo and in vitro cloning procedures. To decrease the turnaround time in genomic engineering, we equipped COMPASS with multi-locus CRISPR/Cas9-mediated modification capacity. In its current realization, COMPASS allows combinatorial optimization of up to ten pathway genes, each transcriptionally controlled by nine different ATFs spanning a 10-fold difference in expression strength. The application of COMPASS was demonstrated by generating cell libraries producing beta-carotene and co-producing beta-ionone and biosensor-responsive naringenin. COMPASS will have many applications in other synthetic biology projects that require gene expression balancing. 

CaPRedit: Genome editing using CRISPR-Cas9 and plant-derived transcriptional regulators for the redirection of flux through the FPP branch-point in yeast. Technologies developed over the past decade have made Saccharomyces cerevisiae a promising platform for production of different natural products. We developed CRISPR/Ca9- and plant derived regulator-mediated genome editing approach (CaPRedit) to greatly accelerate strain modification and to facilitate very low to very high expression of key enzymes using inducible regulators. CaPRedit can be implemented to enhance the production of yeast endogenous or heterologous metabolites in the yeast S. cerevisiae. The CaPRedit system aims to faciltiate modification of multiple targets within a complex metabolic pathway through providing new tools for increased expression of genes encoding rate-limiting enzymes, decreased expression of essential genes, and removed expression of competing pathways. This approach is based on CRISPR/Cas9-mediated one-step double-strand breaks to integrate modules containing IPTG-inducible plant-derived artificial transcription factor and promoter pair(s) in a desired locus or loci. Here, we used CaPRedit to redirect the yeast endogenous metabolic flux toward production of farnesyl diphosphate (FPP), a central precursor of nearly all yeast isoprenoid products, by overexpression of the enzymes lead to produce FPP from glutamate. We found significantly higher beta-carotene accumulation in the CaPRedit-mediated modified strain than in the wild type (WT) strain. More specifically, CaPRedit_FPP 1.0 strain was generated, in which three genes involved in FPP synthesis, tHMG1, ERG20, and GDH2, were inducibly overexpressed under the control of strong plant-derived ATFPs. The beta–carotene accumulated in CaPRedit_FPP 1.0 strain to a level 1.3-fold higher than the previously reported optimized strain that carries the same overexpressed genes (as well as additional genetic modifications to redirect yeast endogenous metabolism toward FPP production). Furthermore, the genetic modifications implemented in CaPRedit_FPP 1.0 strain resulted in only a very small growth defect (growth rate relative to the WT is ~ -0.03).
KW  - synthetic biology
KW  - Saccharomyces cerevisiae
KW  - artificial transcription factor
KW  - combinatorial optimization
KW  - biosensor
KW  - DNA assembly
KW  - pathway engineering
KW  - artifizielle Transkriptionsfaktoren
KW  - Biosensor
KW  - kombinatorische Optimierung
KW  - DNA assembly
KW  - Saccharomyces cerevisiae
KW  - synthetische Biologie
KW  - pathway engineering
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421514
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lawas, Lovely Mae F.
T1  - Molecular characterization of rice exposed to heat and drought stress at flowering and early grain filling
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Albers, Philip
T1  - Funktionelle Charakterisierung des bakteriellen Typ-III Effektorproteins HopZ1a in Nicotiana benthamiana
T1  - Functional characterization of the bacterial type-III effector protein HopZ1a in Nicotiana benthamiana
N2  - Um das Immunsystem der Pflanze zu manipulieren translozieren gram-negative pathogene Bakterien Typ-III Effektorproteine (T3E) über ein Typ-III Sekretionssystem (T3SS) in die pflanzliche Wirtszelle. Dort lokalisieren T3Es in verschiedenen subzellulären Kompartimenten, wo sie Zielproteine modifizieren und so die Infektion begünstigen. HopZ1a, ein T3E des Pflanzenpathogens Pseudomonas syringae pv. syringae, ist eine Acetyltransferase und lokalisiert über ein Myristolierungsmotiv an der Plasmamembran der Wirtszelle. Obwohl gezeigt wurde, dass HopZ1a die frühe Signalweiterleitung an der Plasmamembran stört, wurde bisher kein mit der Plasmamembran assoziiertes Zielprotein für diesen T3E identifiziert. Um bisher unbekannte HopZ1a-Zieleproteine zu identifizieren wurde im Vorfeld dieser Arbeit eine Hefe-Zwei-Hybrid-Durchmusterung mit einer cDNA-Bibliothek aus Tabak durchgeführt, wobei ein nicht näher charakterisiertes Remorin als Interaktor gefunden wurde. 
Bei dem Remorin handelt es sich um einen Vertreter der Gruppe 4 der Remorin-Familie, weshalb es in NbREM4 umbenannt wurde. Durch den Einsatz verschiedener Interaktionsstudien konnte demonstriert werden, dass HopZ1a mit NbREM4 in Hefe, in vitro und in planta wechselwirkt. Es wurde ferner deutlich, dass HopZ1a auf spezifische Weise mit dem konservierten C-Terminus von NbREM4 interagiert, das Remorin jedoch in vitro nicht acetyliert. Analysen mittels BiFC haben zudem ergeben, dass NbREM4 in Homodimeren an der Plasmamembran lokalisiert, wo auch die Interaktion mit HopZ1a stattfindet. 
Eine funktionelle Charakterisierung von NbREM4 ergab, dass das Remorin eine spezifische Rolle im Immunsystem der Pflanze einnimmt. Die transiente Expression in N. benthamiana induziert die Expression von Abwehrgenen sowie einen veränderten Blattphänotyp. In A. thaliana wird HopZ1a über das Decoy ZED1 und das R-Protein ZAR1 erkannt, was zur Auslösung einer starken Hypersensitiven Antwort (HR von hypersensitive response) führt. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass ZAR1 in N. benthamiana konserviert ist, NbREM4 jedoch nicht in der ETI als Decoy fungiert. Mit Hilfe einer Hefe-Zwei-Hybrid-Durchmusterung mit NbZAR1 als Köder konnten zwei Proteine, die Catalase CAT1 und der Protonenpumpeninteraktor PPI1, als Interaktoren von NbZAR1 identifiziert werden, welche möglicherweise in der Regulation der HR eine Rolle spielen. 
Aus Voruntersuchungen war bekannt, dass NbREM4 mit weiteren, nicht näher charakterisierten Proteinen aus Tabak interagieren könnte. Eine phylogenetische Einordnung hat gezeigt, dass es sich um die bekannte Immun-Kinase PBS1 sowie zwei E3-Ubiquitin-Ligasen, NbSINA1 und NbSINAL3, handelt. PBS1 interagiert mit NbREM4 an der Plasmamembran und phosphoryliert das Remorin innerhalb des intrinsisch ungeordneten N-Terminus. Mittels Massenspektrometrie konnten die Serine an Position 64 und 65 innerhalb der Aminosäuresequenz von NbREM4 als PBS1-abhängige Phosphorylierungsstellen identifiziert wurden. 
NbSINA1 und NbSINAL3 besitzen in vitro Ubiquitinierungsaktivität, bilden Homo- und Heterodimere und interagieren ebenfalls mit dem N-terminalen Teil von NbREM4, wobei sie das Remorin in vitro nicht ubiquitinieren.
Aus den in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnissen lässt sich ableiten, dass der bakterielle T3E HopZ1a gezielt mit dem Tabak-Remorin NbREM4 an der Plasmamembran interagiert und über einen noch unbekannten Mechanismus mit dem Immunsystem der Pflanze interferiert, wobei NbREM4 möglicherweise eine Rolle als Adapter- oder Ankerprotein zukommt, über welches HopZ1a mit weiteren Immunkomponenten interagiert. NbREM4 ist Teil eines größeren Immunnetzwerkes, zu welchem die bekannte Immun-Kinase PBS1 und zwei E3-Ubiquitin-Ligasen gehören. Mit NbREM4 konnte damit erstmalig ein membranständiges Protein mit einer Funktion im Immunsystem der Pflanze als Zielprotein von HopZ1a identifiziert werden.
N2  - In order to manipulate the plant's immune system, gram-negative pathogenic bacteria inject type-III effector proteins (T3E) via a type III secretion system (T3SS) into the plant host cell. Inside the cell, T3Es localize to different subcellular compartments, where they modify target proteins and thereby promote the infection. HopZ1a, a T3E of the plant pathogen Pseudomonas syringae pv. syringae is an acetyltransferase and localizes to the plasma membrane. Although it has been shown that HopZ1a interferes with early signal transduction at the plasma membrane, no dedicated plasma membrane-associated target protein has been identified so far. 
To identify unknown HopZ1a target proteins, a yeast two-hybrid screening using a cDNA library from tobacco was performed in advance of this work. The screen identified a previously uncharacterized remorin-family protein as a putative interactor of HopZ1a. 
Using phylogenetic analyses, the remorin could be classified as a group 4 remorin family member and therefore was renamed NbREM4. By using different interaction studies, it has could be demonstrated that HopZ1a interacts with NbREM4 in yeast, in vitro, and in planta. It also became evident that HopZ1a specifically interacts with the conserved C-terminus of NbREM4 but does not acetylate it. BiFC analyses showed that NbREM4 localizes in homodimers at the plasma membrane, and NbREM4 interacts with HopZ1a in this subcellular compartment. 
From preliminary studies it was known that NbREM4 may interact with other uncharacterized proteins from tobacco. A phylogenetic analysis revealed the immune kinase NbPBS1 and two E3 ubiquitin ligases, NbSINA1 and NbSINAL3, as putative NbREM4 interacting proteins. Analysis showed that NbPBS1 interacts with NbREM4 at the plasma membrane and phosphorylates the Remorin within the intrinsically disordered N-terminus. By means of mass spectrometry, serines at position 64 and 65 within the amino acid sequence of NbREM4 were identified as PBS1-dependent phosphorylation sites. 

NbSINA1 and NbSINAL3 have in vitro ubiquitination activity and also interact with the N-terminal part of NbREM4, but do not ubiquitinate it.

It has already been shown that, in Arabidopsis thaliana, HopZ1a is recognized by the R protein ZAR1. In the presence of the effector, ZAR1 induces a strong hypersensitive response (HR) of the cell. In this study it could be confirmed that ZAR1 is conserved in Nicotiana benthamiana and is also responsible for the recognition of HopZ1a. In addition, a yeast two-hybrid screen revealed the catalase CAT1 and the proton pump interactor PPI1 as putative NbZAR1-interacting proteins, possibly contributing to the downstream activation of HR.

From the results obtained in this work, it can be deduced that the bacterial T3E HopZ1a specifically interacts with the Remorin NbREM4 at the plasma membrane and interferes with the immune system via a yet unknown mechanism. NbREM4 is part of a larger immune network that includes NbPBS1 and two E3 ligases. With NbREM4, the first membrane-associated target protein of HopZ1a could have been identified.
KW  - Pseudomonas syringae
KW  - Remorin
KW  - HopZ1a
KW  - PBS1
KW  - pflanzliches Immunsystem
KW  - Pseudomonas syringae
KW  - Remorin
KW  - HopZ1a
KW  - PBS1
KW  - plant immune system
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meyer, Susann
T1  - Wirkung und Wirkungsweise von Ectoin auf DNA-Moleküle
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fer, Istem
T1  - Modeling past, present and future climate induced vegetation changes in East Africa
T1  - Modellierung vergangener, gegenwärtiger und zukünftiger klimainduzierter Vegetationsveränderungen in Ostafrika
N2  - Ostafrika ist ein natürliches Labor: Durch ein Studium seiner einzigartigen geologischen und biologischen Geschichte lassen sich unsere Theorien und Modelle überprüfen und verbessern. Ein Studium seiner Gegenwart und seiner Zukunft wiederum hilft uns dabei, die global bedeutende Artenvielfalt und die ökosystemaren Dienstleistungen Ostafrikas zu schützen. Eine zentrale Rolle spielt dabei spielt die ostafrikanische Vegetation, deren Dynamiken in dieser Dissertation durch Computersimulationen quantifiziert werden sollen.

Über Computersimulationen lassen sich frühere Rahmenbedingungen reproduzieren, Voraussagen treffen oder Simulationsexperimente durchführen, die durch Feldforschung nicht möglich wären. Zuallererst muss jedoch ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden. Die von dem Modell anhand der heutigen Inputs gelieferten Ergebnisse stimmten weitgehend mit heutigen Beobachtungen ostafrikanischer Vegetation überein. Als nächstes wurde die frühere Vegetation simuliert, für die fossile Pollen-Daten zum Abgleich vorliegen. Über Computermodelle lassen sich Wissenslücken zwischen Standorten überbrücken, bei denen wir über fossile Pollen-Daten verfügen, sodass ein vollständigeres Bild der Vergangenheit entsteht. Zusätzlich validiert wurde die Leistungsfähigkeit des Modells durch die hohe Übereinstimmung zwischen Modell und Pollen-Daten, wo sie  im Raum überlappen.

Nachdem das Modell getestet und für die Region validiert war, konnte eine der seit langem offenen Fragen über die ostafrikanische Vegetation angegangen werden, nämlich wie Ostafrika seines Tropenwaldes verlustig gehen konnte. In den Tropen wird die heutige Vegetation weltweit hauptsächlich von Wäldern dominiert, mit Ausnahme der Tropengebiete Ostafrikas, wo Wälder nur noch stellenweise an der Küste und im Hochland vorkommen. Durch eine Reihe von Simulationsexperimenten konnte aufgezeigt werden, unter welchen Bedingungen jene Waldgebiete früher zusammenhingen und schließlich fragmentiert wurden. Die Studie hat erwiesen, wie empfindlich die ostafrikanische Vegetation für die Klimaschwankungen ist, die durch den künftigen Klimawandel zu erwarten sind.

Weitere Auswirkungen auf das ostafrikanische Klima ergeben sich aus dem El Niño/Southern Oscillation-Phänomen (ENSO), das aus Temperaturfluktuationen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre herrührt und künftig an Intensität zunehmen dürfte. Die derzeitigen Klimamodelle sind allerdings noch nicht gut genug beim Erfassen solcher Ereignismuster. In einer Studie wurde der Einfluss des ENSO-Phänomens auf die ostafrikanische Vegetation quantifiziert und dabei aufgezeigt, wie sehr sich die künftige Vegetation von den heute simulierten Ergebnissen unterscheiden könnte, bei denen der genaue ENSO-Beitrag nicht berücksichtigt werden kann. Bei der Berechnung der künftigen weltweiten CO2-Bilanz und den zu treffenden Entscheidungen stellt dies einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor dar.
N2  - East Africa is a natural laboratory: Studying its unique geological and biological history can help us better inform our theories and models. Studying its present and future can help us protect its globally important biodiversity and ecosystem services. East African vegetation plays a central role in all these aspects, and this dissertation aims to quantify its dynamics through computer simulations.

Computer models help us recreate past settings, forecast into the future or conduct simulation experiments that we cannot otherwise perform in the field. But before all that, one needs to test their performance. The outputs that the model produced using the present day-inputs, agreed well with present-day observations of East African vegetation. Next, I simulated past vegetation for which we have fossil pollen data to compare. With computer models, we can fill the gaps of knowledge between sites where we have fossil pollen data from, and create a more complete picture of the past. Good level of agreement between model and pollen data where they overlapped in space further validated our model performance. 

Once the model was tested and validated for the region, it became possible to probe one of the long standing questions regarding East African vegetation: How did East Africa lose its tropical forests? The present-day vegetation in the tropics is mainly characterized by continuous forests worldwide except in tropical East Africa, where forests only occur as patches. In a series of simulation experiments, I was able to show under which conditions these forest patches could have been connected and fragmented in the past. This study showed the sensitivity of East African vegetation to climate change and variability such as those expected under future climate change.

El Niño Southern Oscillation (ENSO) events that result from the fluctuations in temperature between the ocean and atmosphere, bring further variability to East African climate and are predicted to increase in intensity in the future. But climate models are still not good at capturing the pattens of these events. In a study where I quantified the influence of ENSO events on East African vegetation, I showed how different the future vegetation could be from what we currently predict with these climate models that lack accurate ENSO contribution. Consideration of these discrepancies is important for our future global carbon budget calculations and management decisions.
KW  - East Africa
KW  - vegetation modeling
KW  - paleovegetation
KW  - El Nino Southern Oscillation
KW  - Ostafrika
KW  - Vegetationsmodellierung
KW  - Paläovegetation
KW  - El Niño/Southern Oscillation-Phänomen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427777
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ullmann, Wiebke
T1  - Understanding animal movement behaviour in dynamic agricultural landscapes
T1  - Tierbewegungen in dynamischen Agrarlandschaften
N2  - The movement of organisms has formed our planet like few other processes. Movements shape populations, communities, entire ecosystems, and guarantee fundamental ecosystem functions and services, like seed dispersal and pollination. Global, regional and local anthropogenic impacts influence animal movements across ecosystems all around the world. In particular, land-use modification, like habitat loss and fragmentation disrupt movements between habitats with profound consequences, from increased disease transmissions to reduced species richness and abundance. However, neither the influence of anthropogenic change on animal movement processes nor the resulting effects on ecosystems are well understood. Therefore, we need a coherent understanding of organismal movement processes and their underlying mechanisms to predict and prevent altered animal movements and their consequences for ecosystem functions. 
In this thesis I aim at understanding the influence of anthropogenically caused land-use change on animal movement processes and their underlying mechanisms. In particular, I am interested in the synergistic influence of large-scale landscape structure and fine-scale habitat features on basic-level movement behaviours (e.g. the daily amount of time spend running, foraging, and resting) and their emerging higher-level movements (home range formation). Based on my findings, I identify the likely consequences of altered animal movements that lead to the loss of species richness and abundances.
The study system of my thesis are hares in agricultural landscapes. European brown hares (Lepus europaeus) are perfectly suited to study animal movements in agricultural landscapes, as hares are hermerophiles and prefer open habitats. They have historically thrived in agricultural landscapes, but their numbers are in decline. Agricultural areas are undergoing strong land-use changes due to increasing food demand and fast developing agricultural technologies. They are already the largest land-use class, covering 38% of the world’s terrestrial surface. To consider the relevance of a given landscape structure for animal movement behaviour I selected two differently structured agricultural landscapes – a simple landscape in Northern Germany with large fields and few landscape elements (e.g. hedges and tree stands), and a complex landscape in Southern Germany with small fields and many landscape elements. 
I applied GPS devices (hourly fixes) with internal high-resolution accelerometers (4 min samples) to track hares, receiving an almost continuous observation of the animals’ behaviours via acceleration analyses. I used the spatial and behavioural information in combination with remote sensing data (normalized difference vegetation index, or NDVI, a proxy for resource availability), generating an almost complete idea of what the animal was doing when, why and where. Apart from landscape structure (represented by the two differently structured study areas), I specifically tested whether the following fine-scale habitat features influence animal movements: resource, agricultural management events, habitat diversity, and habitat structure. 
My results show that, irrespective of the movement process or mechanism and the type of fine-scale habitat features, landscape structure was the overarching variable influencing hare movement behaviour. High resource variability forces hares to enlarge their home ranges, but only in the simple and not in the complex landscape. Agricultural management events result in home range shifts in both landscapes, but force hares to increase their home ranges only in the simple landscape. Also the preference of habitat patches with low vegetation and the avoidance of high vegetation, was stronger in the simple landscape. High and dense crop fields restricted hare movements temporarily to very local and small habitat patch remnants. Such insuperable barriers can separate habitat patches that were previously connected by mobile links. Hence, the transport of nutrients and genetic material is temporarily disrupted. This mechanism is also working on a global scale, as human induced changes from habitat loss and fragmentation to expanding monocultures cause a reduction in animal movements worldwide. 
The mechanisms behind those findings show that higher-level movements, like increasing home ranges, emerge from underlying basic-level movements, like the behavioural modes. An increasing landscape simplicity first acts on the behavioural modes, i.e. hares run and forage more, but have less time to rest. Hence, the emergence of increased home range sizes in simple landscapes is based on an increased proportion of time running and foraging, largely due to longer travelling times between distant habitats and scarce resource items in the landscape. This relationship was especially strong during the reproductive phase, demonstrating the importance of high-quality habitat for reproduction and the need to keep up self-maintenance first, in low quality areas. These changes in movement behaviour may release a cascade of processes that start with more time being allocated to running and foraging, resulting into an increased energy expenditure and may lead to a decline in individual fitness. A decrease in individual fitness and reproductive output will ultimately affect population viability leading to local extinctions.
In conclusion, I show that landscape structure has one of the most important effects on hare movement behaviour. Synergistic effects of landscape structure, and fine-scale habitat features, first affect and modify basic-level movement behaviours, that can scales up to altered higher-level movements and may even lead to the decline of species richness and abundances, and the disruption of ecosystem functions. Understanding the connection between movement mechanisms and processes can help to predict and prevent anthropogenically induced changes in movement behaviour. With regard to the paramount importance of landscape structure, I strongly recommend to decrease the size of agricultural fields and increase crop diversity. On the small-scale, conservation policies should assure the year round provision of areas with low vegetation height and high quality forage. This could be done by generating wildflower strips and additional (semi-) natural habitat patches. This will not only help to increase the populations of European brown hares and other farmland species, but also ensure and protects the continuity of mobile links and their intrinsic value for sustaining important ecosystem functions and services.
N2  - Wenige biologische Prozesse haben unseren Planeten so stark geformt wie die Bewegungen von Organismen. Individuelle Tierbewegungen haben weitreichende Auswirkungen auf ganze Populationen, Artengemeinschaften und Ökosysteme. Tier-bewegungen sind außerdem verantwortlich für fundamentale Ökosystemfunktionen und –leistungen, wie z.B. die Verbreitung von Samen und die Bestäubung von Wild- und Nutzpflanzen. Globale, regionale und lokale Einflüsse durch den Menschen verändern die ursprünglichen Bewegungsmuster von Organismen und damit auch die Auswir-kungen dieser Bewegungen auf die Ökosysteme. Insbesondere Landnutzungs-änderungen, wie z.B. der Verlust und die Fragmentierung von Lebensräumen, stören die Tierbewegungen zwischen verschiedenen Habitaten und können schwerwiegende Folgen nach sich ziehen. Diese Folgen reichen von der Verminderung der biologischen Artenvielfalt bis hin zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Krankheitsübertragung. Dennoch sind weder die Auswirkungen von Landnutzungsveränderungen auf die Bewegungsabläufe von Tieren, noch deren Einfluss auf die Ökosysteme bis heute gut verstanden. Um die Veränderungen der Bewegungsprozesse und deren Folgen für die Funktionstüchtigkeit von Ökosystemen vorhersagen zu können oder gar zu verhindern, benötigen wir ein ganzheitliches Verständnis der organismischen Bewegungsprozesse.
Das Ziel meiner Arbeit ist es, den Einfluss von anthropogenen Landnutzungs-änderungen auf tierische Bewegungsprozesse und die zugrundeliegende Mechanismen zu verstehen. Im Speziellen untersuche ich die synergetischen Effekte großflächiger Landschaftsstrukturen und kleinflächiger Habitatmerkmale auf das Bewegungsverhalten von Tieren. Dabei untersuche ich sowohl die Bewegungsprozesse, wie z.B. die Ent-stehung von Streifgebieten, als auch die zugrundeliegenden täglichen Verhaltensweisen wie das Laufen, die Nahrungssuche und das Schlafen. Die hierbei gewonnen Erkennt-nisse ermöglichen es mir, die voraussichtlichen Folgen von veränderten Tierbewe-gungen auf Ökosysteme abzuleiten. 
Das Modelsystem meiner Doktorarbeit ist der Feldhase (Lepus europaeus) in Agrarlandschaften. Feldhasen eignen sich hervorragend zur Untersuchung von Tier-bewegungen in landwirtschaftlich genutzten Gebieten, da sie Kulturfolger sind und offene Lebensräume, wie Agrarlandschaften und Steppen bevorzugen. Sie konnten sich in landwirtschaftlichen Regionen ausbreiten und entfalten. Jedoch sind die Bestände seit den 1960er Jahren stark zurückgegangen. Die Intensivierung der Landwirtschaft stellt einen Grund für diesen Rückgang dar. Aufgrund des steigenden Nahrungsmittelbedarfs und der sich schnell entwickelnden Agrartechnologien unterliegen Agrarlandschaften starken Landnutzungsänderungen. Agrarlandschaften stellen weltweit das flächenmäßig größte Landnutzungssystem dar und bedecken 38% der Erdoberfläche. Um die Auswirkungen großflächiger Landschaftsstrukturen auf das Bewegungsverhalten von Tieren zu untersuchen, habe ich zwei unterschiedlich strukturierte Agrarlandschaften ausgewählt: eine relativ einfach strukturierte Landschaft in Norddeutschland, die sich v.a. durch große Feldern und wenige Landschaftselementen (z.B. Hecken und kleinere Baumbestände) auszeichnet und eine komplexere Landschaft in Süddeutschland, die durch kleinere Felder und vielen dieser Landschaftselementen charakterisiert ist. 
Mit Hilfe von GPS-Halsbändern, die mit internen hochauflösenden Beschleu-nigungssensoren ausgestattet sind, wurden die Bewegungen der Feldhasen aufge-zeichnet. Die Beschleunigungssensoren liefern nahezu kontinuierliche Daten, die mit Hilfe von statistischen Klassifikationsverfahren das Verhalten der Tiere wiedergeben können. Die räumlichen Daten (GPS) und die Informationen über die Verhaltensweisen wurden anschließend mit Fernerkundungsdaten kombiniert, die wiederum Aufschluss über die Ressourcenverfügbarkeit geben. Hierdurch kann ein fast vollständiges Bild davon generiert werden, was das Tier wann, warum und wo getan hat. Neben der Landschaftsstruktur (dargestellt durch die beiden unterschiedlich strukturierten Unter-suchungsgebiete) habe ich getestet, ob die folgenden kleinflächigen Habitatmerkmale einen Einfluss auf die Tierbewegungen ausüben: raum-zeitliche Variabilität in der Ressourcenverfügbarkeit, landwirtschaftliche Managementmaßnahmen, Habitatdiversität und Habitatstruktur. 
Die Ergebnisse meiner Forschungsarbeit zeigen, dass unabhängig vom Bewegungsprozess oder -mechanismus und der Art der Habitatmerkmale, die Land-schaftsstruktur die Bewegungen der Feldhasen am stärksten beeinflusst. Eine hohe Ressourcenvariabilität zwingt die Feldhasen dazu, ihre Streifgebiete zu vergrößern, jedoch nur in der einfachen und nicht in der komplexen Landschaft. Landwirtschaftliche Managementmaßnahmen führen zu einer Verschiebung der Streifgebiete in beiden Landschaftstypen. In der einfachen Landschaft jedoch, vergrößern die Feldhasen zusätzlich ihre Streifgebiete. Feldhasen bevorzugen niedrige und vermeiden hohe Vegetation. Im Vergleich zur komplexen Landschaft ist diese Art der Habitatselektion stärker in der einfachen Landschaft ausgeprägt. Hohe und dichte Feldfrüchte, wie z.B. Raps oder Weizen, beschränken die Bewegungen der Feldhasen vorübergehend auf viel kleinere und lokale Gebiete. Derartige unüberwindbare Barrieren können Habitate voneinander trennen, die vorher durch sogenannte „mobile links“ miteinander verbunden waren. „Mobile links“ transportieren z.B. Nährstoffe oder genetisches Material zwischen entfernten Habitaten. Durch die Trennung wird dieser Transport vorübergehend unterbrochen und stört somit die Funktionstüchtigkeit des Ökosystems. Die Reduktion von „mobile links“ durch die vom Menschen verursachten Landnutzungsänderungen und damit einhergehenden Einschränkungen von Tierbewegungen ist weltweit vorzufinden.
Die Resultate meiner Untersuchungen zeigen zudem, dass Bewegungsprozesse, wie z.B. die Vergrößerung der Streifgebiete, durch die zugrundeliegenden Verhaltens-weisen ausgelöst werden. Eine zunehmende Vereinfachung von Landschaftsstrukturen wirkt sich zunächst auf die Verhaltensweisen aus, d.h. Feldhasen laufen mehr und begeben sich häufiger auf die Suche nach Nahrung und anderen Ressourcen. Demnach verringern sich die Ruhezeiten der Feldhasen. Die Vergrößerung von Streifgebieten in der einfach strukturierten Landschaft beruht daher auf einem erhöhten Anteil an Lauf- und Nahrungssuchzeiten. Dies ist vor allem auf die längeren Wege zwischen den weiter entfernten Habitaten und eine geringere Ressourcenverfügbarkeit in einfach strukturierten Landschaften zurück zu führen. In meinen Untersuchungen zeige ich außerdem, dass die Beziehung zwischen der Landschaftsstruktur und den Verhaltens-weisen während der Fortpflanzungsphase besonders stark ausgeprägt ist. Dies zeigt zum einen die besondere Bedeutung eines qualitativ hochwertigen Lebensraums während der Fortpflanzungsphase und zum anderen, dass sich Tiere in Gebieten mit geringer Habitatqualität erst um das eigene tägliche Überleben kümmern müssen. Erst wenn ausreichend Zeit und Ressourcen verfügbar sind, können die Feldhasen sich erfolgreich fortpflanzen. Veränderungen im Bewegungsverhalten können also eine ganze Kaskade von Prozessen auslösen. Diese Kaskade beginnen mit der Veränderung der Verhaltensweisen durch z.B. weniger strukturierte Habitate und führt zu einem erhöhten Anteil an Laufen und Futtersuche, was wiederum einen erhöhten Energieaufwand bedeutet. Wenn Tiere zu viel Energie aufwenden müssen, um das eigene tägliche Überleben zu sichern, kann dies einen Rückgang ihrer individuellen Fitness bedeuten. Die Abnahme der Fitness und der Reproduktionsleistung wird sich letztendlich auf die Überlebensfähigkeit der Population auswirken und kann zum lokalen Aussterben führen.
Die Struktur der Agrarlandschaft stellt eine der wichtigsten Einflussgrößen für das Bewegungsverhalten von Feldhasen dar. Die synergistischen Effekte der großflächigen Landschaftsstruktur und der kleinflächigen Habitatmerkmale beeinflussen und modifizieren zunächst die täglichen Verhaltensweisen, die dann wiederum zu veränderten Bewegungsprozessen führen und damit zu Störungen der Ökosystem-funktionen und zum Rückgang der biologischen Vielfalt beitragen. Im Hinblick auf die große Bedeutung der Landschaftsstruktur empfehle ich daher dringend die Größe der landwirtschaftlichen Felder zu verringern und die Vielfalt der Anbaukulturen zu erhöhen. Kleinräumige Naturerhaltungsmaßnahmen sollten die ganzjährige Bereitstellung von Habitaten mit geringer Vegetationshöhe und hochwertigem Futter sicherstellen. Dies kann durch den Anbau von Blühstreifen und der Schaffung bzw. dem Erhalt zusätzlicher (halb-)natürlicher Lebensräume erreicht werden. Diese Maßnahmen werden nicht nur dazu beitragen, die Populationen der Feldhasen und anderer Kulturfolgern zu vergrößern, sondern helfen auch dabei das Fortbestehen der „mobile links“ und der damit verbundenen Ökosystemfunktionen und –leistungen zu gewährleisten und zu schützen.
KW  - European hare
KW  - Feldhase
KW  - movemen ecology
KW  - Bewegungsökologie
KW  - agricultural landscapes
KW  - Agrarlandschaft
KW  - telemetry
KW  - Telemetrie
KW  - GPS
KW  - GPS
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427153
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bergholz, Kolja
T1  - Trait-based understanding of plant species distributions along environmental gradients
T1  - Zum Verständnis der Verbreitung von Pflanzen entlang von umweltgradienten auf der Basis von funktionellen Eigenschaften
N2  - For more than two centuries, plant ecologists have aimed to understand how environmental gradients and biotic interactions shape the distribution and co-occurrence of plant species. In recent years, functional trait–based approaches have been increasingly used to predict patterns of species co-occurrence and species distributions along environmental gradients (trait–environment relationships). Functional traits are measurable properties at the individual level that correlate well with important processes. Thus, they allow us to identify general patterns by synthesizing studies across specific taxonomic compositions, thereby fostering our understanding of the underlying processes of species assembly. However, the importance of specific processes have been shown to be highly dependent on the spatial scale under consideration. In particular, it remains uncertain which mechanisms drive species assembly and allow for plant species coexistence at smaller, more local spatial scales. Furthermore, there is still no consensus on how particular environmental gradients affect the trait composition of plant communities. For example, increasing drought because of climate change is predicted to be a main threat to plant diversity, although it remains unclear which traits of species respond to increasing aridity. Similarly, there is conflicting evidence of how soil fertilization affects the traits related to establishment ability (e.g., seed mass). In this cumulative dissertation, I present three empirical trait-based studies that investigate specific research questions in order to improve our understanding of species distributions along environmental gradients. 
In the first case study, I analyze how annual species assemble at the local scale and how environmental heterogeneity affects different facets of biodiversity—i.e. taxonomic, functional, and phylogenetic diversity—at different spatial scales. The study was conducted in a semi-arid environment at the transition zone between desert and Mediterranean ecosystems that features a sharp precipitation gradient (Israel). Different null model analyses revealed strong support for environmentally driven species assembly at the local scale, since species with similar traits tended to co-occur and shared high abundances within microsites (trait convergence). A phylogenetic approach, which assumes that closely related species are functionally more similar to each other than distantly related ones, partly supported these results. However, I observed that species abundances within microsites were, surprisingly, more evenly distributed across the phylogenetic tree than expected (phylogenetic overdispersion). Furthermore, I showed that environmental heterogeneity has a positive effect on diversity, which was higher on functional than on taxonomic diversity and increased with spatial scale. The results of this case study indicate that environmental heterogeneity may act as a stabilizing factor to maintain species diversity at local scales, since it influenced species distribution according to their traits and positively influenced diversity. All results were constant along the precipitation gradient.
In the second case study (same study system as case study one), I explore the trait responses of two Mediterranean annuals (Geropogon hybridus and Crupina crupinastrum) along a precipitation gradient that is comparable to the maximum changes in precipitation predicted to occur by the end of this century (i.e., −30%). The heterocarpic G. hybridus showed strong trends in seed traits, suggesting that dispersal ability increased with aridity. By contrast, the homocarpic C. crupinastrum showed only a decrease in plant height as aridity increased, while leaf traits of both species showed no consistent pattern along the precipitation gradient. Furthermore, variance decomposition of traits revealed that most of the trait variation observed in the study system was actually found within populations. I conclude that trait responses towards aridity are highly species-specific and that the amount of precipitation is not the most striking environmental factor at this particular scale.
In the third case study, I assess how soil fertilization mediates—directly by increased nutrient addition and indirectly by increased competition—the effect of seed mass on establishment ability. For this experiment, I used 22 species differing in seed mass from dry grasslands in northeastern Germany and analyzed the interacting effects of seed mass with nutrient availability and competition on four key components of seedling establishment: seedling emergence, time of seedling emergence, seedling survival, and seedling growth. (Time of) seedling emergence was not affected by seed mass. However, I observed that the positive effect of seed mass on seedling survival is lowered under conditions of high nutrient availability, whereas the positive effect of seed mass on seedling growth was only reduced by competition. Based on these findings, I developed a conceptual model of how seed mass should change along a soil fertility gradient in order to reconcile conflicting findings from the literature. In this model, seed mass shows a U-shaped pattern along the soil fertility gradient as a result of changing nutrient availability and competition. 
Overall, the three case studies highlight the role of environmental factors on species distribution and co-occurrence. Moreover, the findings of this thesis indicate that spatial heterogeneity at local scales may act as a stabilizing factor that allows species with different traits to coexist. In the concluding discussion, I critically debate intraspecific trait variability in plant community ecology, the use of phylogenetic relationships and easily measured key functional traits as a proxy for species’ niches. Finally, I offer my outlook for the future of functional plant community research.
N2  - Seit über 200 Jahre erforschen Ökologen den Einfluss von Umweltgradienten, biotischen Interaktionen und neutralen Prozessen auf die Artenzusammensetzung von Pflanzengemeinschaften. Um generelle Muster und die zugrundeliegenden Mechanismen unabhängig von der gegeben Artenzusammensetzung besser zu verstehen, wurden in den letzten Jahren vermehrt funktionellen Eigenschaften (‚functional traits‘) als methodischen Ansatz genutzt. Es wurde deutlich, dass die bestimmenden Prozesse abhängig von der betrachteten räumlichen Skala sind. Vor allem ist unklar, in wieweit Umweltheterogenität auf kleiner, lokaler Skala die Artenzusammensetzung beeinflusst. Des Weiteren ist Skalenabhängigkeit wichtig um den Einfluss von spezifischen Umweltgradienten, wie Trockenheit oder Bodenfertilität,  auf die funktionelle Eigenschaften von Pflanzengemeinschaften zu ermitteln. 
In der vorliegenden Dissertation untersuche ich in drei unabhängigen, empirischen Studien den Einfluss von Umweltgradienten bzw. Umweltheterogenität auf die funktionellen Eigenschaften von Pflanzengemeinschaften unter besonderer Berücksichtigung der Skalenabhängigkeit. In der ersten Fallstudie prüfe ich welche Faktoren die Artenzusammensetzung in einem semi-ariden Ökosystem (Israel), das von einjährigen Pflanzen dominiert wird, auf lokaler Skala bestimmen. Ich kann zeigen, dass vor allem Arten mit ähnlichen funktionellen Eigenschaften in Mikrohabitaten auftreten, das auf eine Selektion durch Umweltfaktoren hindeutet. Des Weiteren kann ich zeigen, dass mit Zunahme der Umweltheterogenität des Habitats die Diversität der funktionellen Eigenschaften sowie die Artendiversität in den Pflanzengemeinschaften zunehmen. Aus diesen Ergebnissen folgere ich, dass lokale Umweltheterogenität ein wichtiger Faktor für die Koexistenz der Pflanzenarten ist. Im selben Untersuchungsgebiet, untersuche ich in der zweiten Studie die Anpassung von mediterranen Pflanzen entlang eines Niederschlagsgradienten, der den vorausgesagten Niederschlagsveränderungen bis zum Ende dieses Jahrhunderts entspricht. Dafür wurden die funktionellen Eigenschaften von zwei typischen mediterranen Arten in 16 Populationen gemessen. Überraschenderweise zeigten die Arten unterschiedliche Anpassungen entlang des Gradienten, dass auf eine artspezifische Anpassung an Trockenheit hinweist. Des Weiteren wird in der Studie deutlich, dass der Regengradient zwar ein wichtiger, aber kein bestimmender Faktor auf der entsprechenden Skala ist, da ein großer Anteil der intraspezifischen Merkmalsvariation innerhalb der Populationen gefunden wird. In der dritten Studie untersuche ich inwieweit Bodenfertilität die Etablierungswahrscheinlichkeit von Pflanzen mit unterschiedlichen Samenmassen direkt (durch erhöhte Nährstoffverfügbarkeit) und indirekt (durch erhöhte Konkurrenz) beeinflusst. Das Experiment wurde mit 22 Trockenrasenarten aus Nordost Brandenburg durchgeführt. Es zeigte sich, dass der positive Effekt von Samenmasse auf die Etablierungsfähigkeit abhängig von den jeweiligen Bedingungen ist und verschiedene Prozesse während der Etablierungsphase beeinflusst werden. Auf der Basis dieser Ergebnisse und Literatur, stelle ich ein konzeptionelles Model vor, dass widersprüchliche Ergebnisse aus der Literatur synthetisiert. 
Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse meiner Dissertation, dass funktionelle Eigenschaften wichtige Erkenntnisse über die Prozesse liefern, die das Auftreten von Pflanzen und deren Anpassung entlang von Umweltgradienten bestimmen. In der abschließenden Diskussion hinterfrage ich kritisch die Verwendung von intraspezifischer Variabilität funktioneller Eigenschaften in der Gemeinschaftsökologie, Phylogenie als Surrogat für die Nische einer Art und die Standardisierung funktioneller Eigenschaften als methodische Aspekte. Abschließend gebe ich einen Ausblick über zukünftige Pflanzenökologie-Forschung mit funktionellen Eigenschaften.
KW  - functional ecology
KW  - plant community
KW  - species coexistence
KW  - biodiversity
KW  - funktionelle Ökologie
KW  - Pflanzengemeinschaften
KW  - Koexistenz von Arten
KW  - Biodiversität
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426341
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TY  - THES
A1  - Zhang, Yunming
T1  - Understanding the functional specialization of poly(A) polymerases in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lehmann, Andreas
T1  - Variability in human life history traits
BT  - an analysis of spatial and temporal variation and their integration into recent conceptual frameworks
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Schwahn, Kevin
T1  - Data driven approaches to infer the regulatory mechanism shaping and constraining levels of metabolites in metabolic networks
T1  - Entwicklung von datengestützten Verfahren, um regulatorischen Mechanismen zu untersuchen, die die Metabolitmengen in Stoffwechselnetzwerken beeinflussen
N2  - Systems biology aims at investigating biological systems in its entirety by gathering and analyzing large-scale data sets about the underlying components. Computational systems biology approaches use these large-scale data sets to create models at different scales and cellular levels. In addition, it is concerned with generating and testing hypotheses about biological processes. However, such approaches are inevitably leading to computational challenges due to the high dimensionality of the data and the differences in the dimension of data from different cellular layers.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Die Methoden, die in dieser Doktorarbeit entwickelt, implementiert und untersucht wurden, öffnen neue Wege um metabolische und transkriptomische Daten gemeinsam auszuwerten. Sie erlauben Metabolit-Profile in den Kontext von metabolischen Netzwerken zu stellen. Die Ergebnisse haben das Potential uns weitere Einblicke in die regulatorische Maschinerie in biologischen Systemen zu gewähren.
KW  - systems biology
KW  - metabolomics
KW  - metabolites
KW  - Systembiologie
KW  - Metabolomik
KW  - Metabolite
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423240
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TY  - THES
A1  - Fabian, Jenny
T1  - Effects of algae on microbial carbon cycling in freshwaters
BT  - with focus on the utilization of leaf carbon by heterotrophic bacteria and fungi
N2  - Microbial processing of organic matter (OM) in the freshwater biosphere is a key component of global biogeochemical cycles. Freshwaters receive and process valuable amounts of leaf OM from their terrestrial landscape. These terrestrial subsidies provide an essential source of energy and nutrients to the aquatic environment as a function of heterotrophic processing by fungi and bacteria. Particularly in freshwaters with low in-situ primary production from algae (microalgae, cyanobacteria), microbial turnover of leaf OM significantly contributes to the productivity and functioning of freshwater ecosystems and not least their contribution to global carbon cycling. 
Based on differences in their chemical composition, it is believed that leaf OM is less bioavailable to microbial heterotrophs than OM photosynthetically produced by algae. Especially particulate leaf OM, consisting predominantly of structurally complex and aromatic polymers, is assumed highly resistant to enzymatic breakdown by microbial heterotrophs. However, recent research has demonstrated that OM produced by algae promotes the heterotrophic breakdown of leaf OM in aquatic ecosystems, with profound consequences for the metabolism of leaf carbon (C) within microbial food webs. In my thesis, I aimed at investigating the underlying mechanisms of this so called priming effect of algal OM on the use of leaf C in natural microbial communities, focusing on fungi and bacteria.
The works of my thesis underline that algal OM provides highly bioavailable compounds to the microbial community that are quickly assimilated by bacteria (Paper II). The substrate composition of OM pools determines the proportion of fungi and bacteria within the microbial community (Paper I). Thereby, the fraction of algae OM in the aquatic OM pool stimulates the activity and hence contribution of bacterial communities to leaf C turnover by providing an essential energy and nutrient source for the assimilation of the structural complex leaf OM substrate. On the contrary, the assimilation of algal OM remains limited for fungal communities as a function of nutrient competition between fungi and bacteria (Paper I, II). In addition, results provide evidence that environmental conditions determine the strength of interactions between microalgae and heterotrophic bacteria during leaf OM decomposition (Paper I, III). However, the stimulatory effect of algal photoautotrophic activities on leaf C turnover remained significant even under highly dynamic environmental conditions, highlighting their functional role for ecosystem processes (Paper III). 
The results of my thesis provide insights into the mechanisms by which algae affect the microbial turnover of leaf C in freshwaters. This in turn contributes to a better understanding of the function of algae in freshwater biogeochemical cycles, especially with regard to their interaction with the heterotrophic community.
N2  - Die mikrobielle Verarbeitung von organischer Biomasse in Süßwasser nimmt eine fundamentale Rolle in den globalen biogeochemischen Nährstoffkreisläufen ein. Ein Großteil der organischen Biomasse gelangt aus der terrestrischen Umgebung, insbesondere aus dem Blattlaubeintrag, in die Gewässer und stellt eine wesentliche Energie- und Nährstoffquelle für die aquatische Umwelt dar. In die aquatischen Nahrungsnetze gelangt das terrestrische Material vorwiegend durch mikrobielle Umsatzprozesse, an denen vor allem heterotrophe Bakterien und Pilze beteiligt sind. Der mikrobielle Umsatz von Blattlaub kann die biogeochemischen Prozesse aquatischer Ökosysteme signifikant beeinflussen und nicht zuletzt deren Beitrag zum globalen Kohlenstoffkreislauf. Das gilt insbesondere für Gewässer, in denen die in-situ Produktion organischer Biomasse durch aquatische Algen sehr gering ist.
Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung wird angenommen, dass Blattbiomasse für die mikrobielle Gemeinschaft schlechter abbaubar und damit weniger bioverfügbar ist als photosynthetisch produziert Biomasse durch Algen. Das gilt insbesondere für das partikuläre Blattmaterial, welches vorwiegend aus strukturell komplexen und aromatischen Polymeren besteht. Neue Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Algen den enzymatischen Abbau von Blattmaterial stimulieren (Priming Effekt), und den Umsatz von Blattkohlenstoff innerhalb des mikrobiellen Nahrungsnetzes signifikant beeinflussen. In meiner Doktorarbeit habe ich die zugrundeliegenden Mechanismen dieses Priming Effekts von Algenbiomasse auf die mikrobiellen Umsatzprozesse von Blattkohlenstoff innerhalb natürlicher mikrobieller Gemeinschaften untersucht. Der Fokus lag dabei vor allem auf aquatische Pilz- und Bakteriengemeinschaften.
Die von mir erbrachten Arbeiten verifizieren, dass Algenbiomasse für die mikrobielle Gemeinschaft teilweise hoch verfügbar ist (Studie II). Meine Arbeiten unterstreichen jedoch, dass Algenbiomasse vor allem von Bakterien assimiliert wird und deren Beitrag zum mikrobiellen Blattumsatz stimuliert. Die Bakteriengemeinschaft erhält über das Algenmaterial vermutlich essentielle Energie- und Nährstoffquellen, die ihnen die Assimilation des strukturell komplexen Blattkohlenstoffs erleichtert. Im Gegensatz dazu scheint die Pilzgemeinschaft das Algenmaterial nicht direkt nutzen zu können, vermutlich bedingt durch deren schwache Konkurrenz mit Bakterien um das Algensubstrat (Studie I, II). Darüber hinaus liefern die Ergebnisse einer weiteren Studie Hinweise darauf, dass Umweltbedingungen die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Algen und heterotrophen Bakterien während der Zersetzung der Blattbiomasse bestimmen (Studie I, III). Die stimulierende Wirkung der photoautotrophen Algenaktivität auf den Blattkohlenstoff Umsatz blieb jedoch selbst unter hochdynamischen Umweltbedingungen signifikant, was ihre funktionelle Rolle für Ökosystemprozesse unterstreicht (Studie III).
Die Ergebnisse aus den Arbeiten meiner Promotion geben Einblicke in die Mechanismen des mikrobiellen aquatischen Blattabbaus und welche funktionelle Rolle Algen hierbei haben. Das trägt zu einem besseren Verständnis der Funktion von Algen in den biogeochemischen Kreisläufen der Süßgewässer bei, insbesondere mit Hinblick auf die Interaktion der heterotrophen Gemeinschaft mit Algenbiomasse.
KW  - stable isotope tracer
KW  - organic matter
KW  - microbial carbon turnover
KW  - microbial interactions
KW  - stabile Isotope Tracer
KW  - organisches Material
KW  - mikrobieller Kohlenstoffkreislauf
KW  - mikrobielle Interaktionen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422225
ER  - 
TY  - THES
A1  - Radloff, Katrin
T1  - The role of the fatty acid profile and its modulation by cytokines in the systemic inflammation in cancer cachexia
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Alhajturki, Dema
T1  - Characterization of altered inflorescence architecture in Arabidopsis thaliana  BG-5 x Kro-0 hybrid
T1  - Charakterisierung veränderter Blütenstandarchitektur in Arabidopsis thaliana BG-5 x Kro-0-Hybrid
N2  - A reciprocal cross between two A. thaliana accessions, Kro-0 (Krotzenburg, Germany) and BG-5 (Seattle, USA), displays purple rosette leaves and dwarf bushy phenotype in F1 hybrids when grown at 17 °C and a parental-like phenotype when grown at 21 °C. This F1 temperature-dependent-dwarf-bushy phenotype is characterized by reduced growth of the primary stem together with an increased number of branches. The reduced stem growth was the strongest at the first internode. In addition, we found that a temperature switch from 21 °C to 17 °C induced the phenotype only before the formation of the first internode of the stem. Similarly, the F1 dwarf-bushy phenotype could not be reversed when plants were shifted from 17 °C to 21 °C after the first internode was formed. Metabolic analysis showed that the F1 phenotype was associated with a significant upregulation of anthocyanin(s), kaempferol(s), salicylic acid, jasmonic acid and abscisic acid. As it has been previously shown that the dwarf-bushy phenotype is linked to two loci, one on chromosome 2 from Kro-0 and one on chromosome 3 from BG-5, an artificial micro-RNA approach was used to investigate the necessary genes on these intervals. From the results obtained, it was found that two genes, AT2G14120 that encodes for a DYNAMIN RELATED PROTEIN3B and AT2G14100 that encodes a member of the Cytochrome P450 family protein CYP705A13, were necessary for the appearance of the F1 phenotype on chromosome 2. It was also discovered that AT3G61035 that encodes for another cytochrome P450 family protein CYP705A13 and AT3G60840 that encodes for a MICROTUBULE-ASSOCIATED PROTEIN65-4 on chromosome 3 were both necessary for the induction of the F1 phenotype. To prove the causality of these genes, genomic constructs of the Kro-0 candidate genes on chromosome 2 were transferred to BG-5 and genomic constructs of the chromosome 3 candidate genes from BG-5 were transferred to Kro-0. The T1 lines showed that these genes are not sufficient alone to induce the phenotype. In addition to the F1 phenotype, more severe phenotypes were observed in the F2 generations that were grouped into five different phenotypic classes. Whilst seed yield was comparable between F1 hybrids and parental lines, three phenotypic classes in the F2 generation exhibited hybrid breakdown in the form of reproductive failure. This F2 hybrid breakdown was less sensitive to temperature and showed a dose-dependent effect of the loci involved in F1 phenotype. The severest class of hybrid breakdown phenotypes was observed only in the population of backcross with the parent Kro-0, which indicates a stronger contribution of the BG-5 allele when compared to the Kro-0 allele on the hybrid breakdown phenotypes. Overall, the findings of my thesis provide a further understanding of the genetic and metabolic factors underlying altered shoot architecture in hybrid dysfunction.
N2  - Die reziproke Kreuzung der zwei A. thaliana-Akzessionen Kro-0 aus Krotzenburg (Deutschland) sowie BG-5  aus Seattle (USA) manifestiert sich in einem Zwergbusch-Phänotyp in den F1 Hybriden bei 17 °C. Dagegen zeigen die Nachkommen bei 21 °C einen Phänotyp, der den Eltern ähnelt. Somit handelt es sich bei dieser Kreuzung um einen temperaturabhängigen Phänotyp. Dieser ist gekennzeichnet durch einen gestörten Wuchs des Primärstammes sowie einer vermehrten Anzahl an gebildeten Seitenzweigen. Das gestörte Wachstum des Hauptsprosses ist am gravierendsten rund um das 1. Internodium der Pflanzen. Es konnte gezeigt werden, dass durch einen Temperaturwechsel von 21 °C auf 17 °C der Phänotyp nur induziert werden kann vor der Bildung des 1. Internodiums. Im Gegenzug dazu ist ebenfalls die Rettung des parentalen Phänotyps nur möglich vor der Bildung des 1. Internodiums am Hauptspross. Des Weiteren zeigten metabolische und hormonelle Analysen der F1 Hybriden eine signifikante Erhöhung von Anthozyanen, Kaempferol, Salizylsäure, Jasmonsäure sowie Abscisinsäure. In Vorarbeiten wurde der Phänotyp bereits mit zwei verschiedenen Loci verknüpft, einer befindet sich auf Chromosom 2 der Elternlinie Kro-0, der andere auf Chromosom 3 von BG-5. Mittels eines micro-RNA Versuches konnte ich zeigen, dass die zwei Gene AT2G14120 DYNAMIN RELATED PROTEIN3B und CYP705A13, welches zur Familie des Zytochrom P450 gehört, auf dem Chromosom 2 von Kro-0 involviert sind. Auf Chromosom 3 von BG-5 gehören die Gene CYP76C8P (AT3G61035) sowie MICROTUBULE-ASSOCIATED65-4  (AT3G60840) zu den verantwortlichen Genen. Es wurden genomische Konstrukte der Kro-0-Kandidatengene auf BG-5 übertragen sowie ebenfalls genomische Konstrukte der Chr3-Kandidatengene auf Kro-0 übertragen. Die T1-Linien bewiesen keines dieser Gene als allein ausreichend. Zusätzlich zu dem F1-Phänotyp wurden in den F2-Generationen, die in fünf verschiedene phänotypische Klassen eingeteilt waren, schwerwiegendere Phänotypen beobachtet. Während die Samenausbeute zwischen F1-Hybriden und Elternlinien vergleichbar war, zeigten drei phänotypische Klassen in der F2-Generationen einen Hybridabbau in Form von Fortpflanzungsversagen. Dieser F2-Hybridabbau war weniger temperaturempfindlich und zeigte einen dosisabhängigen Effekt, basierend auf der genetischen Architektur der am F1-Phänotyp beteiligten Loci. Die schwerste Klasse von hybriden Abbauphänotypen wurde nur in der Population von Rückkreuzungen mit dem Elternteil Kro-0 beobachtet, was einen stärkeren Beitrag des BG-5-Allels im Vergleich zu dem Kro-0-Allel auf den hybriden Abbauphänotypen anzeigt. Insgesamt liefern die Ergebnisse meiner Dissertation ein weiteres Verständnis der genetischen und metabolischen Faktoren, die der veränderten Sprossarchitektur bei hybrider Dysfunktion zugrunde liegen.
KW  - hybrid incompatibility
KW  - hybride Inkompatibilität
KW  - hybrid breakdown
KW  - Hybridzerfall
KW  - altered shoot branching
KW  - veränderte Triebverzweigung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420934
ER  - 
TY  - THES
A1  - Danckert, Lena
T1  - Immunscreening Virulenz-adaptierter Expressionsbibliotheken aus einem in vitro Infektionsmodell mit Salmonella Enteritidis
T1  - Immunoscreening of virulence adapted expressionlibraries of an in vitro infection model with salmonella enteritidis
N2  - Die Folgen einer lebensmittelbedingten Erkrankung sind zum Teil gravierend, insbesondere für Kinder und immunsupprimierte Menschen. Hierbei gehören Salmonella und Campylobacter zu den häufigsten Erregern, die verantwortlich für gastrointestinale Erkrankungen in Deutschland sind. Trotz umfassender Maßnahmen der EU zur Prävention und Bekämpfung von Salmonellen in Geflügelbeständen und der Lebensmittel-Industrie, wird von einem stagnierenden Trend von Infektionszahlen berichtet. Zoonose-Erreger wie Salmonellen können über Nutztiere in die Nahrungskette des Menschen gelangen, wodurch sich Infektionsherde schnell ausbreiten können. Dabei sind bestehende Präventionsstrategien für Geflügel vorhanden, die aber nicht auf den Menschen übertragbar sind. Folglich sind Diagnostik und Prävention in der Lebensmittelindustrie essentiell. Deshalb besteht ein hoher Bedarf für spezifische, sensitive und zuverlässige Nachweismethoden, die eine Point-of-care Diagnostik gewährleisten. Durch ein wachsendes Verständnis der wirtsspezifischen Faktoren von S. enterica Serovaren kann die Entwicklung sowohl neuartiger diagnostischer Methoden, als auch neuartiger Therapien und Impfstoffe maßgeblich vorangetrieben werden. 
Infolgedessen wurde in dieser Arbeit ein infektionsähnliches in vitro Modell für S. Enteritidis etabliert und darauf basierend eine umfassende Untersuchung zur Identifizierung neuer Zielstrukturen für den Erreger durchgeführt. Während einer Salmonellen-Infektion ist die erste zelluläre Barriere im Wirt die Epithelschicht. Dementsprechend wurde eine humane Zelllinie (CaCo 2, Darmepithel) für die Pathogen-Wirt-Studie ausgewählt. Das Salmonellen-Transkriptom und morphologische Eigenschaften der Epithelzellen wurden in verschiedenen Phasen der Salmonellen-Infektion untersucht und mit bereits gut beschriebenen Virulenzfaktoren und Beobachtungen in Bezug gesetzt. Durch dieses Infektionsmodell konnte ein spezifischer Phänotyp für die intrazellulären Salmonellen in den Epithelzellen nachgewiesen werden. Zudem wurde aufgezeigt, dass bereits die Kultivierung in Flüssigmedium einen invasionsaktiven Zustand der Salmonellen erzeugt. Allerdings wurde durch die Kokultivierung mit Epithelzellen eine zusätzliche Expression relevanter Gene induziert, um eine effiziente Adhäsion und Transmembran-Transport zu gewährleisten. Letzterer ist charakteristisch für die intrazelluläre Limitierung von Nährstoffen und prägt den infektionsrelevanten Status. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren ergab sich ein Phänotyp, der eindeutig Mechanismen zur Wirtsadaptation und möglicherweise auch Pathogenese aufzeigt. Die intrazellulären Bakterien müssen vom Wirt separiert werden, was ein wesentlicher Schritt für Pathogen-bestimmende Analysen ist. Hierbei wurde mithilfe einer Detergenz-basierten Lyse der eukaryotischen Zellmembran und differentieller Zentrifugation, der eukaryotische Eintrag minimal gehalten. Unter Verwendung der Virulenz-adaptierten Salmonellen wurden Untersuchungen in Hinblick auf die Identifizierung neuer Zielstrukturen für S. Enteritidis durchgeführt. Mithilfe eines immunologischen Screenings wurden neue potentielle Antigene entdeckt. Zu diesem Zweck wurden bakterielle cDNA-basierte Expressionsbibliotheken hergestellt, die durch eine vereinfachte Microarray-Anwendung ein Hochdurchsatzscreening von Proteinen als potentielle Binder ermöglichen. Folglich konnten neue unbeschriebene Proteine identifiziert werden, die sich durch eine Salmonella-Spezifität oder Membranständigkeit auszeichnen. Ebenso wurde ein Vergleich der im Screening identifizierten Proteine mit der Regulation der kodierenden Gene im infektionsähnlichen Modell durchgeführt. Dabei wurde deutlich, dass die Häufigkeit von Transkripten einen Einfluss auf die Verfügbarkeit in der cDNA-Bibliothek und folglich auch auf die Expressionsbibliothek nimmt. Angesichts eines Ungleichgewichts zwischen der Gesamtzahl protein-kodierender Gene in S. Enteritidis zu möglichen Klonen, die während des Microarray-Screenings untersucht werden können, besteht der Bedarf einer Anreicherung von Proteinen in der Expressionsbibliothek. Das infektionsähnliche Modell zeigte, dass nicht nur Virulenz-assoziierte, sondern auch Stress- und Metabolismus-relevante Gene hochreguliert werden. Durch die Konstruktion dieser spezifischen cDNA-Bibliotheken ist die Erkennung von charakteristischen molekularen Markern gegeben. 
Weiterhin wurden anhand der Transkriptomanalyse spezifisch hochregulierte Gene identifiziert, die relevant für das intrazelluläre Überleben von S. Enteritidis in humanen Epithelzellen sind. Hiervon wurden drei Gene näher untersucht, indem ihr Einfluss im infektionsähnlichen Modell mittels entsprechender Gen-Knockout-Stämme analysiert wurde. Dabei wurde für eine dieser Mutanten ein reduziertes Wachstum in der späten intrazellulären Phase nachgewiesen. Weiterführende in vitro Analysen sind für die Charakterisierung des Knockout-Stamms notwendig, um den Einsatz als potenzielles Therapeutikum zu verifizieren. 
Zusammenfassend wurde ein in vitro Infektionsmodell für S. Enteritidis etabliert, wodurch neue Zielstrukturen des Erregers identifiziert wurden. Diese sind für diagnostische oder therapeutische Anwendungen interessant. Das Modell lässt sich ebenso für andere intrazelluläre Pathogene übertragen und gewährleistet eine zuverlässige Identifizierung von potentiellen Antigenen.
N2  - The outcomes of food-borne diseases are in part severe, especially for children and immunocompromised people. Salmonella and Campylobacter are among the most common pathogens responsible for gastrointestinal diseases in Germany. Despite the comprehensive EU efforts to prevent and control salmonella in poultry flocks and the food industry, a trend of stagnating outbreaks is reported. Zoonotic agents like salmonella can enter the human food chain through livestock, allowing colonies to spread rapidly. There are existing prevention strategies for poultry, but they are not transferable to humans. Consequently, diagnostics and prevention are essential in the food industry. Therefore, a high demand exists for specific, sensitive and reliable detection methods that guarantee point-of-care diagnostics. Through a growing understanding of the host-specific factors of S. enterica serovars, the development of novel diagnostic methods as well as novel therapies and vaccines can be significantly advanced. 
As a result, an infection-like in vitro model for S. Enteritidis was established and a comprehensive study was conducted to identify new target structures for the pathogen. During a salmonella infection, the first cellular barrier in the host is the epithelial layer. Accordingly, a human cell line (CaCo-2, intestinal epithelium) was selected for the pathogen-host study. The salmonella transcriptome and morphological properties of epithelial cells were studied at different stages of salmonella infection and were compared with well-described virulence factors and findings. Through this infection model, a specific phenotype for intracellular salmonella in epithelial cells could be detected. In addition, it was shown that cultivation in liquid medium already induces an invasion-active state of salmonella. However, co-cultivation with epithelial cells induced additional expression of specific genes to ensure efficient adhesion and transport of the membrane. The latter is characteristic for the intracellular limitation of nutrients and determines the infection-relevant status. Taking these factors into account, a phenotype with clear mechanisms for host adaptation and also potentially pathogenesis was observed. The intracellular bacteria must be separated from the host, which is an essential step for pathogen-determined analyses. With the help of detergent-based lysis of the eukaryotic cell membrane and differential centrifugation, the eukaryotic input was kept to a minimum. Using virulence-adapted Salmonella RNA, experiments were conducted to identify new target structures for S. Enteritidis. With the help of immunological screening, new potential antigens were discovered. For this purpose, bacterial cDNA-based expression libraries were created that enable high-throughput protein screening through a simplified microarray application providing potential binders. Consequently, new undescribed proteins characterised by salmonella specificity or membrane origin could be identified. A comparison of the identified screening proteins with the regulation of the coding genes in the infection-like model was also carried out. It became clear that the frequency of transcripts has an influence on their availability in the cDNA library and consequently also on the expression library. Given an imbalance between the total number of protein-coding genes in S. Enteritidis and possible clones that can be tested during microarray screening, there is a need for protein enrichment in the expression library. The infection-like model showed that not only genes associated with virulence but also genes relevant to stress and metabolism are upregulated. The construction of such specific cDNA libraries enables the recognition of characteristic molecular markers. 
Furthermore, transcriptome analysis was used to identify specifically up-regulated genes that are relevant for the intracellular survival of S. Enteritidis in human epithelial cells. Three of these genes were investigated in more detail by examining their influence in the infection-like model using corresponding gene knockout strains. For one of these mutants, reduced growth in the late intracellular phase was proven. Further in vitro analyses are necessary for the characterization of the knockout strain in order to verify its use as a potential therapeutic agent. 
In summary, an in vitro infection model for S. Enteritidis was established, which revealed new target structures of the pathogen. These are interesting for diagnostic or therapeutic applications. The model can also be transferred to other intracellular pathogens and provides reliable identification of potential antigens.
KW  - Diagnostik
KW  - Immunscreening
KW  - Salmonellen
KW  - diagnostic
KW  - immunoscreening
KW  - salmonella
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421108
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stößel, Daniel
T1  - Biomarker Discovery in Multiple Sclerosis and Parkinson’s disease
T1  - Biomarkerentwicklung in Multiple Sklerose und der Parkinson-Krankheit
BT  - novel insights into metabolic disease mechanisms
N2  - Neuroinflammatory and neurodegenerative diseases such as Parkinson's (PD) and multiple sclerosis (MS) often result in a severe impairment of the patient´s quality of life. Effective therapies for the treatment are currently not available, which results in a high socio-economic burden. Due to the heterogeneity of the disease subtypes, stratification is particularly difficult in the early phase of the disease and is mainly based on clinical parameters such as neurophysiological tests and central nervous imaging. Due to good accessibility and stability, blood and cerebrospinal fluid metabolite markers could serve as surrogates for neurodegenerative processes. This can lead to an improved mechanistic understanding of these diseases and further be used as "treatment response" biomarkers in preclinical and clinical development programs. Therefore, plasma and CSF metabolite profiles will be identified that allow differentiation of PD from healthy controls, association of PD with dementia (PDD) and differentiation of PD subtypes such as akinetic rigid and tremor dominant PD patients. In addition, plasma metabolites for the diagnosis of primary progressive MS (PPMS) should be investigated and tested for their specificity to relapsing-remitting MS (RRMS) and their development during PPMS progression.
By applying untargeted high-resolution metabolomics of PD patient samples and in using random forest and partial least square machine learning algorithms, this study identified 20 plasma metabolites and 14 CSF metabolite biomarkers. These differentiate against healthy individuals with an AUC of 0.8 and 0.9 in PD, respectively. We also identify ten PDD specific serum metabolites, which differentiate against healthy individuals and PD patients without dementia with an AUC of 1.0, respectively. Furthermore, 23 akinetic-rigid specific plasma markers were identified, which differentiate against tremor-dominant PD patients with an AUC of 0.94 and against healthy individuals with an AUC of 0.98. These findings also suggest more severe disease pathology in the akinetic-rigid PD than in tremor dominant PD. In the analysis of MS patient samples a partial least square analysis yielded predictive models for the classification of PPMS and resulted in 20 PPMS specific metabolites. In another MS study unknown changes in human metabolism were identified after administration of the multiple sclerosis drug dimethylfumarate, which is used for the treatment of RRMS. These results allow to describe and understand the hitherto completely unknown mechanism of action of this new drug and to use these findings for the further development of new drugs and targets against RRMS.
In conclusion, these results have the potential for improved diagnosis of these diseases and improvement of mechanistic understandings, as multiple deregulated pathways were identified. Moreover, novel Dimethylfumarate targets can be used to aid drug development and treatment efficiency. Overall, metabolite profiling in combination with machine learning identified as a promising approach for biomarker discovery and mode of action elucidation.
N2  - Neuroinflammatorische and neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson (PD) und Multiple Sklerose (MS) gehen oft mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität einher. Effektive Therapien für die Behandlung sind derzeit nicht verfügbar, was nicht zuletzt eine hohe sozioökonomische Last zur Folge hat. Aufgrund der Heterogenität der Krankheitsbilder ist eine Stratifizierung gerade in der Frühphase der Erkrankung schwierig und basiert hauptsächlich auf klinischen Parametern wie bspw. neurophysiologischen Tests und bildgebenden Verfahren. Aufgrund ihrer guten Zugänglichkeit und Stabilität könnten bestimmte Blut- und Liquor-Metabolitenmarker als Surrogat für neurodegenerative Prozesse dienen, zu einem verbesserten mechanistischen Verständnis dieser Krankheiten führen und nicht zuletzt als “treatment response“ Biomarker in präklinischen und klinischen Entwicklungsprogrammen herangezogen werden. In dieser Arbeit sollten deshalb Plasma- und CSF-Metabolitprofile identifiziert werden, die eine Differenzierung von PD zu gesunden Kontrollen, Assoziierung zu PD mit Demenz (PDD) sowie eine Abgrenzung zu unterschiedlichen PD-Subtypen wie akinetisch-rigiden sowie tremor-dominanten PD-Patienten ermöglichen. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Plasmametabolite zur Diagnose von primär-progressiver MS (PPMS) erforscht und auf ihre Spezifität gegenüber schubförmig remittierender MS (RRMS) und PD geprüft sowie deren Verlauf während der PPMS Progression getestet. Hierbei konnten durch “untargeted Metabolomics“ in Kombination mit statistischen Modellen mehrere Plasma- und CSF-Metabolite in PD-Patienten/Erkrankten ermittelt werden, die mit Hilfe von statistischen Diagnosemodellen eine Differenzierung zu gesunden Personen ermöglichen. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit PDD-spezifische Serummetabolite identifiziert, die wiederum genutzt werden können, um diesen PD-Typen von gesunden Individuen und PD-Patienten ohne Demenz abzugrenzen. Des Weiteren konnten bei akinetisch-rigiden PD-Patienten spezifische Metabolite entdeckt werden, die im Vergleich zu tremor-dominanten PD-Patienten eine stärkere metabolische Krankheitssymptomatik suggerieren. Im Zusammenhang mit PPMS wurden in dieser Arbeit spezifische Plasma-Metabolite entdeckt, die zur Diagnose gegen RRMS, PD und gesunden Kontrollen genutzt werden können. Interessanterweise zeigte dabei ein spezifisches Lipid geringere Werte im PPMS Krankheitsverlauf, wodurch sich dieses als möglicher Marker zur Progressionsdiagnostik dieser Krankheit qualifiziert. Abschließend konnten in dieser Arbeit im humanen Stoffwechsel bisher unbekannte Angriffspunkte des Medikaments Dimethylfumarat, das zur Behandlung von RRMS verwendet wird, ermittelt werden. Durch diese Ergebnisse kann der bis jetzt gänzlich unbekannte Wirkungsmechanismus dieses neuen Medikaments besser beschrieben und verstanden, sowie zur Weiterentwicklung neuer Medikamente gegen RRMS genutzt werden.
KW  - metabolomics
KW  - biomarker
KW  - multiple sclerosis
KW  - Parkinson's disease
KW  - neurodegeneration
KW  - neuroinflammation
KW  - machine-learning
KW  - Parkinson-Krankheit
KW  - Biomarker
KW  - Maschinelles-Lernen
KW  - Metabolomics
KW  - Multiple-Sklerose
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kettner, Marie Therese
T1  - Microbial colonization of microplastic particles in aquatic systems
T1  - Mikrobielle Besiedlung von Mikroplastik-Partikeln in aquatischen Systemen
N2  - The continuously increasing pollution of aquatic environments with microplastics (plastic particles < 5 mm) is a global problem with potential implications for organisms of all trophic levels. For microorganisms, trillions of these floating microplastics particles represent a huge surface area for colonization. Due to the very low biodegradability, microplastics remain years to centuries in the environment and can be transported over thousands of kilometers together with the attached organisms. Since also pathogenic, invasive, or otherwise harmful species could be spread this way, it is essential to study microplastics-associated communities.
For this doctoral thesis, eukaryotic communities were analyzed for the first time on microplastics in brackish environments and compared to communities in the surrounding water and on the natural substrate wood. With Illumina MiSeq high-throughput sequencing, more than 500 different eukaryotic taxa were detected on the microplastics samples. Among them were various green algae, dinoflagellates, ciliates, fungi, fungal-like protists and small metazoans such as nematodes and rotifers. The most abundant organisms was a dinoflagellate of the genus Pfiesteria, which could include fish pathogenic and bloom forming toxigenic species. Network analyses revealed that there were numerous interaction possibilities among prokaryotes and eukaryotes in microplastics biofilms. Eukaryotic community compositions on microplastics differed significantly from those on wood and in water, and compositions were additionally distinct among the sampling locations. Furthermore, the biodiversity was clearly lower on microplastics in comparison to the diversity on wood or in the surrounding water.
In another experiment, a situation was simulated in which treated wastewater containing microplastics was introduced into a freshwater lake. With increasing microplastics concentrations, the resulting bacterial communities became more similar to those from the treated wastewater. Moreover, the abundance of integrase I increased together with rising concentrations of microplastics. Integrase I is often used as a marker for anthropogenic environmental pollution and is further linked to genes conferring, e.g., antibiotic resistance. 
This dissertation gives detailed insights into the complexity of prokaryotic and eukaryotic communities on microplastics in brackish and freshwater systems. Even though microplastics provide novel microhabitats for various microbes, they might also transport toxigenic, pathogenic, antibiotic-resistant or parasitic organisms; meaning their colonization can pose potential threats to humans and the environment. Finally, this thesis explains the urgent need for more research as well as for strategies to minimize the global microplastic pollution.
N2  - Die stetig steigende Verschmutzung der Gewässer mit Mikroplastik (Plastikteilchen < 5 mm) ist ein weltweites Umweltproblem und wirkt sich potentiell auf Organismen aller trophischen Ebenen aus. Für Mikroorganismen stellen Billionen dieser schwimmenden Mikroplastik-partikel eine riesige Fläche zur Besiedlung dar. Aufgrund der sehr schlechten Abbaubarkeit verbleibt Mikroplastik Jahre bis Jahrhunderte in der Umwelt und kann samt der angehefteten Organismen über mehrere Tausend Kilometer weit transportiert werden. Da sich darüber auch pathogene, invasive oder anderweitig gefährliche Arten verbreiten könnten, ist es essentiell, die Mikroplastik-assoziierten Gemeinschaften zu untersuchen.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden erstmals die eukaryotischen Gemeinschaften auf Mikroplastik in Brackwasser-Habitaten analysiert und mit Gemeinschaften aus dem umgebenden Wasser und auf dem natürlichen Substrat Holz verglichen. Mit Illumina MiSeq Hochdurchsatz-Sequenzierungs-Verfahren wurde ermittelt, dass über 500 verschiedene eukaryotische Taxa auf den Mikroplastikproben vorkamen. Dazu gehörten unterschiedliche Grünalgen, Dinoflagellaten, Ciliaten, Pilze, pilz-ähnliche Protisten und kleine Metazoen wie Fadenwürmer oder Rädertierchen. Am häufigsten kamen Dinoflagellaten der Gattung Pfiesteria vor, zu der möglicherweise fischpathogene und toxische Algenblüten-bildende Arten gehören könnten. Netzwerk-Analysen zeigten, dass es auf Mikroplastik eine Vielzahl von Interaktionsmöglichkeiten zwischen den vorhandenen Eukaryoten und Prokaryoten gibt. Die Zusammensetzungen der Eukaryoten-Gemeinschaften auf Mikroplastik unterschieden sich signifikant von jenen auf Holz und im umgebenden Wasser, aber auch zwischen den verschiedenen Probenahme-Standorten. Die Mikroplastikproben wiesen im Vergleich zu Wasser und Holz die geringste Biodiversität auf.
In einem weiteren Experiment wurde simuliert, dass Mikroplastik-haltiges Wasser aus dem Ablauf einer Kläranlage in einen See eingeleitet wird. Bei hohen Mikroplastikkonzentrationen reicherten sich besonders Bakterien aus dem Kläranlagenablauf an. Zudem hatten die Bakteriengemeinschaften auf Mikroplastik ein signifikant erhöhtes Vorkommen eines bestimmten genetischen Markers (Integrase I), welcher auf anthropogene Umweltverschmutzung hindeutet, sowie mit Genen verknüpft ist, die z. B. Antibiotika-Resistenzen übertragen können.
Die Versuchsergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen einerseits, wie komplex und vielseitig das mikrobielle Leben auf Mikroplastik sein kann, andererseits könnten diese Partikel aber auch Transportvehikel für toxische, pathogene, antibiotika-resistente oder parasitäre Organismen darstellen. Somit birgt ihre Besiedlung potentielle Gefahren für Mensch und Umwelt. Darüber hinaus weist diese Arbeit auf dringenden Forschungsbedarf hin und verdeutlicht die Notwendigkeit der Eindämmung der globalen Mikroplastik-Verschmutzung.
KW  - microplastics
KW  - eukaryotes
KW  - sequencing
KW  - fungi
KW  - biofilm
KW  - biodiversity
KW  - Biodiversität
KW  - Biofilm
KW  - Eukaryoten
KW  - Pilze
KW  - Mikroplastik
KW  - Sequenzierung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418854
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fuhrmann, Saskia
T1  - Physiologically-based pharmacokinetic and mechanism-based pharmacodynamic modelling of monoclonal antibodies with a focus on tumour targeting
T1  - Physiologie-basierte pharmakokinetische und mechanistische pharmakodynamische Modellierung von monoklonalen Antikörpern mit Fokus auf zielgerichtete Tumortherapie
N2  - Monoclonal antibodies (mAbs) are an innovative group of drugs with increasing clinical importance in oncology, combining high specificity with generally low toxicity. There are, however, numerous challenges associated with the development of mAbs as therapeutics. Mechanistic understanding of factors that govern the pharmacokinetics (PK) of mAbs is critical for drug development and the optimisation of effective therapies; in particular, adequate dosing strategies can improve patient quality life and lower drug cost. Physiologically-based PK (PBPK) models offer a physiological and mechanistic framework, which is of advantage in the context of animal to human extrapolation. Unlike for small molecule drugs, however, there is no consensus on how to model mAb disposition in a PBPK context. Current PBPK models for mAb PK hugely vary in their representation of physiology and parameterisation. Their complexity poses a challenge for their applications, e.g., translating knowledge from animal species to humans.

In this thesis, we developed and validated a consensus PBPK model for mAb disposition taking into account recent insights into mAb distribution (antibody biodistribution coefficients and interstitial immunoglobulin G (IgG) pharmacokinetics) to predict tissue PK across several pre-clinical species and humans based on plasma data only. The model allows to a priori predict target-independent (unspecific) mAb disposition processes as well as mAb disposition in concentration ranges, for which the unspecific clearance (CL) dominates target-mediated CL processes. This is often the case for mAb therapies at steady state dosing.

The consensus PBPK model was then used and refined to address two important problems: 
1) Immunodeficient mice are crucial models to evaluate mAb efficacy in cancer therapy. Protection from elimination by binding to the neonatal Fc receptor is known to be a major pathway influencing the unspecific CL of both, endogenous and therapeutic IgG. The concentration of endogenous IgG, however, is reduced in immunodeficient mouse models, and this effect on unspecific mAb CL is unknown, yet of great importance for the extrapolation to human in the context of mAb cancer therapy. 
2) The distribution of mAbs into solid tumours is of great interest. To comprehensively investigate mAb distribution within tumour tissue and its implications for therapeutic efficacy, we extended the consensus PBPK model by a detailed tumour distribution model incorporating a cell-level model for mAb-target interaction. We studied the impact of variations in tumour microenvironment on therapeutic efficacy and explored the plausibility of different mechanisms of action in mAb cancer therapy.
The mathematical findings and observed phenomena shed new light on therapeutic utility and dosing regimens in mAb cancer treatment.
N2  - Monoklonale Antikörper (mAK) stellen durch ihre hohe Spezifität und geringe Toxizität eine innovative Arzneistoffklasse mit großer klinischer Bedeutung in der Krebstherapie dar. Es gibt jedoch eine Vielzahl an Herausforderungen, die mit der Entwicklung von mAK als Krebstherapeutika verbunden sind. Mechanistisches Verständnis der Pharmakokinetik (PK) von mAK ist wichtig für die Arzneimittelentwicklung sowie für die Therapieoptimierung. Adäquate Dosierungsstrategien können die Lebensqualität der Patienten erhöhen und die Gesundheitskosten senken. Physiologie-basierte PK (PBPK) Modelle bieten einen physiologischen und mechanistischen Rahmen für die Extrapolation von Tiermodellen auf den Menschen. Im Gegensatz zu kleinen chemischen Molekülen besteht für die PBPK Modellierung von mAK kein Konsens: Aktuelle Modelle unterscheiden sich stark hinsichtlich Physiologie und deren Parameterisierung. Die Komplexität dieser Modelle stellt eine große Herausforderung für ihre Anwendung dar.

In der vorliegenden Arbeit entwickelten und validierten wir ein Konsens-PBPK-Modell für die mAK Disposition. Dabei wurden aktuelle Erkenntnisse zur mAK Verteilung berücksichtigt, um basierend auf Plasmadaten Vorhersagen für die PK im Gewebe verschiedener präklinischer sowie klinischer Spezies zu treffen. Das Modell erlaubt a priori Vorhersagen für die unspezifische (target-unabhängige) mAK Disposition als auch für die mAK Disposition in einem Konzentrationsbereich, für den die unspezifische Clearance (CL) die target-abhängige CL dominiert. Dies ist oft der Fall für mAK Therapien bei Steady-state-Dosierung. 

Anschließend wurde das Konsens-PBPK-Modell genutzt und verfeinert, um zwei wichtige Aspekte näher zu untersuchen: 1) Immundefiziente Mäuse sind wichtige Tiermodelle für die Evaluierung der mAK Wirksamkeit in der Tumortherapie. Die Bindung von Antikörpern an den neonatalen Fc Rezeptor schützt diese vor dem Abbau und beeinflusst somit maßgeblich die unspezifische CL von endogenen sowie therapeutischen Antikörpern. Die Konzentration von endogenem IgG in immundefizienten Mäusen ist reduziert. Dieser Effekt auf die unspezifische mAK CL ist unbekannt, jedoch wichtig für die Extrapolation auf den Menschen in der mAK Tumortherapie. 
2) Die Verteilung von mAK innerhalb eines soliden Tumors ist von großer Bedeutung. Für die umfassende Untersuchung der mAK Verteilung innerhalb des Tumorgewebes wurde das Konsens-PBPK-Modell um ein detailliertes Tumor-Verteilungsmodell, welches die mAK-Target Interaktion auf Zellebene berücksichtigt, erweitert. Wir untersuchten den Einfluss von Variationen in der Tumor-Mikroumgebung auf die klinische Wirksamkeit von mAK und untersuchten die Plausibilität verschiedener Wirkmechanismen in der mAK Tumortherapie. 
Die mathematischen Ergebnisse sowie beobachteten Phänomene werfen ein neues Licht auf den therapeutischen Nutzen sowie Dosierungsschemata in der mAK Krebstherapie.
KW  - PBPK
KW  - monoclonal antibodies
KW  - modelling
KW  - PBPK
KW  - monoklonale Antikörper
KW  - Modellierung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418861
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mubeen, Umarah
T1  - Regulation of central carbon and nitrogen metabolism by Target of Rapamycin (TOR) kinase in Chlamydomonas reinhardtii
T1  - Regulation des zentralen Kohlen- und Stickstoff Stoffwechsels durch die Target of Rapamycin Kinase in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii
N2  - The highly conserved protein complex containing the Target of Rapamycin (TOR) kinase is known to integrate intra- and extra-cellular stimuli controlling nutrient allocation and cellular growth. This thesis describes three studies aimed to understand how TOR signaling pathway influences carbon and nitrogen metabolism in Chlamydomonas reinhardtii. The first study presents a time-resolved analysis of the molecular and physiological features across the diurnal cycle. The inhibition of TOR leads to 50% reduction in growth followed by nonlinear delays in the cell cycle progression. The metabolomics analysis showed that the growth repression is mainly driven by differential carbon partitioning between anabolic and catabolic processes. Furthermore, the high accumulation of nitrogen-containing compounds indicated that TOR kinase controls the carbon to nitrogen balance of the cell, which is responsible for biomass accumulation, growth and cell cycle progression. In the second study the cause of the high accumulation of amino acids is explained. For this purpose, the effect of TOR inhibition on Chlamydomonas was examined under different growth regimes using stable 13C- and 15N-isotope labeling.  The data clearly showed that an increased nitrogen uptake is induced within minutes after the inhibition of TOR. Interestingly, this increased N-influx is accompanied by increased activities of nitrogen assimilating enzymes. Accordingly, it was concluded that TOR inhibition induces de-novo amino acid synthesis in Chlamydomonas. The recognition of this novel process opened an array of questions regarding potential links between central metabolism and TOR signaling. Therefore a detailed phosphoproteomics study was conducted to identify the potential substrates of TOR pathway regulating central metabolism. Interestingly, some of the key enzymes involved in carbon metabolism as well as amino acid synthesis exhibited significant changes in the phosphosite intensities immediately after TOR inhibition. Altogether, these studies provide a) detailed insights to metabolic response of Chlamydomonas to TOR inhibition, b) identification of a novel process causing rapid upshifts in amino acid levels upon TOR inhibition and c) finally highlight potential targets of TOR signaling regulating changes in central metabolism. Further biochemical and molecular investigations could confirm these observations and advance the understanding of growth signaling in microalgae.
N2  - Target of Rapamycin (TOR) ist das Zentralprotein eines hochkonservierten Proteinkomplexes, welcher Nährstoff- und Energie Ressourcen für zelluläre Wachstumsprozesse kontengiert. Diese Doktorarbeit beschreibt anhand dreier Studien, wie TOR zu diesem Zweck, in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, den zentralen Stoffwechsel reguliert. Die erste Studie untersucht dazu das zeitaufgelöste Verhalten von Biomolekülen im Tagesverlauf synchronisiert wachsender Algen. Dabei konnte gezeigt werden, das der TOR Inhibitor Rapamycin das Wachstum um 50% reduziert und den Zellzyklus verzögert. Die Zellzyklus Verzögerung scheint dabei hauptsächlich durch veränderte Stoffwechselprozesse erklärt zu sein. Hierbei konnte gezeigt werden, dass TOR vor allem stickstoffhaltige Stoffwechselprodukte (z.B. Aminosäuren) kontrolliert, welche die Grundlage für Biomasseproduktion, Wachstum und den Zellzyklus bilden. Im Rahmen der zweiten Studie konnte dann der molekulare Mechanismus der Akkumulation der zellulären Aminosäuren aufgeklärt werden. Zu diesem Zweck wurden Fütterungsstudien mit 13C- und 15N-Isotopen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Fütterung konnten klar zeigen, dass die Inhibition von TOR zur verstärkten Aufnahme von Stickstoff in die Zelle und dessen Assimilierung in Aminosäuren führt. Die Aufdeckung dieses neuen, von TOR gesteuerten Prozesses eröffnete somit die Frage, wie die Signalkaskade von TOR zu den Enzymen der Aminosäuresynthese verläuft. Detaillierte phosphoproteomische Studien sollten dieser Frage nachgehen und Zielprotein der TOR Kinase zu identifizieren und regulierte Stoffwechselprozesses zu finden. Dabei stellte sich heraus, dass sowohl verschiedene Enzyme der Aminosäuresynthese als auch Enzyme des zentralen Stoffwechsels innerhalb weniger Minuten stark verändert wurden. Zusammenfassend kann man festhalten das die vorliegende Arbeit detaillierte Stoffwechselanalysen des Stoffwechsels nach einer TOR Inhibition aufdeckt. Hierbei ein neuer Mechanismus zur Regulation der Aminosäuresynthese, nach TOR Inhibition gezeigt werden konnte, welche durch systemische Regulation der Phosphorylierungsmuster zellulärer Proteine kontrolliert wird. Zusätzliche molekulare und biochemische Studien konnten weiterhin zeigen, dass wie TOR das zelluläre Wachstum der photosynthetischen Grünalge kontrolliert und somit steuert.
KW  - Target of Rapamycin kinase
KW  - Growth signaling
KW  - metabolism
KW  - phosphoproteomics
KW  - Chlamydomonas
KW  - Target of Rapamycin kinase
KW  - Wachstumssignale
KW  - Stoffwechsel
KW  - Phosphoproteomik
KW  - Chlamydomonas
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bühning, Martin
T1  - Charakterisierung des Zusammenspiels von FeS-Cluster-Assemblierung, Molybdänkofaktor-Biosynthese und tRNA-Thiolierung in Escherichia coli
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bolius, Sarah
T1  - Microbial invasions in aquatic systems – strain identity, genetic diversity and timing
N2  - Biological invasions are the dispersal and following establishment of species outside their native habitat. Due to globalisation, connectivity of regions and climate changes the number of invasive species and their successful establishment is rising. The impact of these species is mostly negative, can induce community and habitat alterations, and is one main cause for biodiversity loss. This impact is particularly high and less researched in aquatic systems and microbial organisms and despite the high impact, the knowledge about overall mechanisms and specific factors affecting invasions are not fully understood. In general, the characteristics of the habitat, native community and invader determine the invasiveness. 
In this thesis, I aimed to provide a better understanding of aquatic invasions focusing on the invader and its traits and identity. This thesis used a set of 12 strains of the invasive cyanobacterium <i>Cylindrospermopsis raciborskii</i> to examine the effect and impact of the invaders’ identity and genetic diversity. Further, the effect of timing on the invasion potential and success was determined, because aquatic systems in particular undergo seasonal fluctuations. 	
Most studies revealed a higher invasion success with increasing genetic diversity. Here, the increase of the genetic diversity, by either strain richness or phylogenetic dissimilarity, is not firstly driving the invasion, but the strain-identity. The high variability among the strains in traits important for invasions led to the highly varying strain-specific invasion success. This success was most dependent on nitrogen uptake and efficient resource use. The lower invasion success into communities comprising further N-fixing species indicates <i>C. raciborskii</i> can use this advantage only without the presence of competitive species. The relief of grazing pressure, which is suggested to be more important in aquatic invasions, was only promoting the invasion when unselective and larger consumers were present. High abundances of unselective consumers hampered the invasion success. 	
This indicates a more complex and temporal interplay of competitive and consumptive resistance mechanisms during the invasion process. Further, the fluctuation abundance and presence of competitors (= primary producers) and consumers (= zooplankton) in lakes can open certain ‘invasion windows’. 	
Remarkably, the composition of the resident community was also strain-specific affected and altered, independent of a high or low invasion success. Prior, this was only documented on the species level. Further, investigations on the population of invasive strains can reveal more about the invasion patterns and how multiple strain invasions change resident communities. 	
The present dissertation emphasises the importance of invader-addition experiments with a community context and the importance of the strain-level for microbial invasions and in general, e.g. for community assemblies and the outcome of experiments. The strain-specific community changes, also after days, may explain some sudden changes in communities, which have not been explained yet. This and further knowledge may also facilitate earlier and less cost-intensive management to step in, because these species are rarely tracked until they reach a high abundance or bloom, because of their small size. 
Concluded for <i>C. raciborskii</i>, it shows that this species is no ‘generalistic’ invader and its invasion success depends more on the competitor presence than grazing pressure. This may explain its, still unknown, invasion pattern, as <i>C. raciborskii</i> is not found in all lakes of a region.
N2  - Biologische Invasionen beschreiben die Ausbreitung und Etablierung von Arten außerhalb ihres natürlichen Verbreitungsgebiets. Das Eindringen dieser invasiven Arten in ein neues Ökosystem hat meist negative Auswirkungen. Beispiele sind unter anderem veränderte Ökosystemprozesse, Lebensräume und Zusammensetzungen der einheimischen Arten, die zu einem Verlust der biologischen Vielfalt führen. Durch die fortschreitende Globalisierung und den Klimawandel steigt die Anzahl invasiver Arten weltweit. Um dies möglichst zu verhindern, müssen die zugrundeliegenden Mechanismen und Faktoren verstanden sein. Besonders bei aquatischen Mikroorganismen ist die Wissenslücke dabei groß und umso drängender, da diese Arten ein hohes Invasionspotential und potentiell stärkere negative Auswirkungen haben. 	
Die vorliegende Dissertation untersuchte anhand der invasiven Cyanobakterie <i>Cylindrospermopsis raciborskii</i>, den anfänglichen Invasionsprozess, unter besonderer Berücksichtigung der Stamm-Identität, der genetischen Diversität und des Zeitpunkts der Invasion. 
Die meisten Studien zu Invasionen zeigen einen positiven Effekt der genetischen Diversität auf Invasionen. Diese Arbeit konnte zeigen, dass der Invasionserfolg auf bestimmte Stamm-spezifische Eigenschaften zurückzuführen ist. Für <i>C. raciborskii</i> war dies eine erhöhte Aufnahme von Stickstoff und eine effizientere Nutzung von Ressourcen. Wie einige andere aquatischen Arten hat <i>C. raciborskii</i> die Fähigkeit über differenzierte Zellen Stickstoff aus der Luft zu fixieren. Des Weiteren fördern bestimmte Umweltbedingungen, wie eine niedrige Nährstoffkonzentration, das Wachstum von <i>C. raciborskii</i>.	
Fraßdruck wirkte sich nur negativ aus, wenn unselektive Prädatoren anwesend waren. Zudem zeigten weitere Versuche, dass ihr Konkurrenzvorteil nur in Gemeinschaften ohne weitere Stickstoff-Fixierer und in Stickstoff-reduzierten Habitaten die Etablierung positiv beeinflusst.
Diese Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass diverse Eigenschaften und eine zeitliche Abfolge dieser, den Invasionserfolg beeinflussen. Dieser kann einerseits durch den Widerstand der heimischen Arten-Gemeinschaft und zum anderem durch die herrschenden abiotischen Bedingungen verhindert werden. Gerade aquatische Systeme unterlaufen saisonalen Schwankungen und diese erlauben somit bestimmte, temporäre Invasionsmöglichkeiten. Zusätzlich führte die Stamm-Identität zu Änderungen in der einheimischen Artenzusammensetzung, unabhängig vom Erfolg der Invasion - dies wurde bis jetzt nur Art-spezifisch gezeigt. 	
Damit betont die vorliegende Arbeit die Bedeutung von Stamm-Identitäten auf Invasionen und deren Auswirkungen auf ökologische Prozesse und den Ausgang von Experimenten. Zusammengefasst für <i>C. raciborskii</i> zeigt die Arbeit, dass diese Art keine ‚generell‘ erfolgreiche invasive Art ist und dass der Invasionserfolg eher von den vorhanden konkurrierenden Arten abhängt. Dies könnte das noch unklare Ausbreitungs-Muster erklären.
KW  - invasion
KW  - cyanobacteria
KW  - population
KW  - Cylindrospermopsis raciborskii
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Agrawal, Shreya
T1  - Engineering the isoprenoid pathway for molecular farming and effect of tRNA(Glu) manipulation on tetrapyrrole biosynthesis
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Riedel, Marc
T1  - Photonic wiring of enzymatic reactions to photoactive entities for the construction of biohybrid electrodes
T1  - Photonische Kontaktierung von enzymatischen Reaktionen mit photoaktiven Entitäten für den Aufbau von biohybriden Elektroden
N2  - In this work, different strategies for the construction of biohybrid photoelectrodes are investigated and have been evaluated according to their intrinsic catalytic activity for the oxidation of the cofactor NADH or for the connection with the enzymes PQQ glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), FAD-dependent glucose dehydrogenase (FAD-GDH) and fructose dehydrogenase (FDH). The light-controlled oxidation of NADH has been analyzed with InGaN/GaN nanowire-modified electrodes. Upon illumination with visible light the InGaN/GaN nanowires generate an anodic photocurrent, which increases in a concentration-dependent manner in the presence of NADH, thus allowing determination of the cofactor. Furthermore, different approaches for the connection of enzymes to quantum dot (QD)-modified electrodes via small redox molecules or redox polymers have been analyzed and discussed. First, interaction studies with diffusible redox mediators such as hexacyanoferrate(II) and ferrocenecarboxylic acid have been performed with CdSe/ZnS QD-modified gold electrodes to build up photoelectrochemical signal chains between QDs and the enzymes FDH and PQQ-GDH. In the presence of substrate and under illumination of the electrode, electrons are transferred from the enzyme via the redox mediators to the QDs. The resulting photocurrent is dependent on the substrate concentration and allows a quantification of the fructose and glucose content in solution. A first attempt with immobilized redox mediator, i.e. ferrocenecarboxylic acid chemically coupled to PQQ-GDH and attached to QD-modified gold electrodes, reveal the potential to build up photoelectrochemical signal chains even without diffusible redox mediators in solution. However, this approach results in a significant deteriorated photocurrent response compared to the situation with diffusing mediators. In order to improve the photoelectrochemical performance of such redox mediator-based, light-switchable signal chains, an osmium complex-containing redox polymer has been evaluated as electron relay for the electronic linkage between QDs and enzymes. The redox polymer allows the stable immobilization of the enzyme and the efficient wiring with the QD-modified electrode. In addition, a 3D inverse opal TiO2 (IO-TiO2) electrode has been used for the integration of PbS QDs, redox polymer and FAD-GDH in order to increase the electrode surface. This results in a significantly improved photocurrent response, a quite low onset potential for the substrate oxidation and a broader glucose detection range as compared to the approach with ferrocenecarboxylic acid and PQQ-GDH immobilized on CdSe/ZnS QD-modified gold electrodes. Furthermore, IO-TiO2 electrodes are used to integrate sulfonated polyanilines (PMSA1) and PQQ-GDH, and to investigate the direct interaction between the polymer and the enzyme for the light-switchable detection of glucose. While PMSA1 provides visible light excitation and ensures the efficient connection between the IO-TiO2 electrode and the biocatalytic entity, PQQ-GDH enables the oxidation of glucose. Here, the IO-TiO2 electrodes with pores of approximately 650 nm provide a suitable interface and morphology, which is required for a stable and functional assembly of the polymer and enzyme. The successful integration of the polymer and the enzyme can be confirmed by the formation of a glucose-dependent anodic photocurrent. In conclusion, this work provides insights into the design of photoelectrodes and presents different strategies for the efficient coupling of redox enzymes to photoactive entities, which allows for light-directed sensing and provides the basis for the generation of power from sun light and energy-rich compounds.
N2  - In dieser Arbeit werden verschiedene Strategien für den Aufbau biohybrider Photoelektroden untersucht und hinsichtlich ihrer intrinsischen katalytischen Aktivität für die Oxidation des Kofaktors NADH oder für die Kontaktierung mit den Enzymen PQQ Glukosedehydrogenase (PQQ-GDH), FAD-abhängige Glukosedehydrogenase (FAD-GDH) und Fruktosedehydrogenase (FDH) evaluiert. Der Licht-gesteuerten Nachweis von NADH wurde mittels InGaN/GaN Nanodraht-modifizierten Elektroden untersucht. Bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht generieren die InGaN/GaN Nanodrähte einen anodischen Photostrom, welcher in der Anwesenheit von NADH konzentrationsabhängig ansteigt und somit eine Bestimmung des Kofaktors erlaubt. Des Weiteren werden verschiedene Ansätze für die Kontaktierung von Enzymen mit Quantum Dot (QD)-modifizierten Elektroden unter Verwendung von kleinen Redoxmolekülen oder Redoxpolymeren analysiert und diskutiert. Zunächst wurden Interaktionsstudien mit den Redoxmediatoren Kaliumhexacyanoferrat(II) und Ferrocencarbonsäure in Lösung an CdSe/ZnS QD-modifizierten Goldelektroden durchgeführt um darauf aufbauend photoelektrochemische Signalketten zwischen QDs und den Enzymen FDH und PQQ-GDH aufzubauen und für den Nachweis von Fruktose und Glukose zu nutzen. In Anwesenheit von Substrat und unter Beleuchtung der Elektrode werden Elektronen von dem Enzym über die Redoxmediatoren zu den QDs übertragen. Der daraus resultierende Photostrom ist abhängig von der Substratkonzentration und erlaubt eine Bestimmung des Fruktose- und Glukosegehalts in Lösung. Ein erster Ansatz mit immobilisierten Redoxmediatoren, d.h. Ferrocencarbonsäure kovalent an PQQ-GDH gebunden und auf QD-modifizierten Goldelektroden immobilisiert, zeigt das Potential photoelektrochemische Signalketten auch ohne Redoxmediatoren in Lösung aufzubauen. Jedoch resultierte dieser Ansatz in einer deutlichen Verschlechterung der Photostromantwort im Vergleich zum Ansatz mit Mediatoren in Lösung. Um die photoelektrochemische Leistungsfähigkeit Redoxmediator-basierter, Licht-schaltbarer Signalketten zu verbessern, wurde ein Osmiumkomplex-Redoxpolymer für die elektronische Kontaktierung zwischen QDs und Enzymen untersucht. Das Redoxpolymer erlaubt eine stabile Immobilisierung des Enzymes und eine effiziente Kontaktierung mit der QD-modifizierten Elektrode. Zusätzlich wurde eine 3D „inverse opale“ TiO2 (IO-TiO2) Elektrode für die Integration der PbS QDs, des Redoxpolymers und der FAD-GDH verwendet um die Elektrodenoberfläche zu vergrößern. Dies führt zu einer deutlich verbesserten Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Photostromantwort, des Startpotentials für die Substratoxidation und des Nachweisbereiches für Glukose im Vergleich zu dem Ansatz mit Ferrocencarbonsäure und PQQ-GDH immobilisiert auf CdSe/ZnS QD-modifizierten Goldelektroden. Des Weiteren wurden IO-TiO2 Elektroden verwendet um sulfonierte Polyaniline (PMSA1) und PQQ-GDH zu integrieren und die direkte Interaktion zwischen dem Polymer und dem Enzym für den Licht-schaltbaren Nachweis von Glukose zu untersuchen. Während PMSA1 eine Anregung mit sichtbaren Licht ermöglicht und die effiziente Verbindung zwischen der IO-TiO2-Elektrode und der biokatalytischen Einheit sicherstellt, ermöglicht die PQQ-GDH die Oxidation von Glukose. Hierbei bieten die IO-TiO2-Elektroden mit Poren von ca. 650 nm eine geeignete Schnittstelle und Morphologie, welche für eine stabile und funktionelle Assemblierung des Polymers und Enzyms benötigt wird. Die erfolgreiche Integration des Polymers und des Enzyms kann durch die Ausbildung eines Glukose-abhängigen anodischen Photostroms bestätigt werden. Zusammenfassend gibt diese Arbeit Einblicke in den Aufbau von Photoelektroden und präsentiert verschiedene, effiziente Kopplungsstrategien zwischen Redoxenzymen und photoaktiven Komponenten, welche einen Licht-gesteuerten Nachweis von Analyten ermöglichen und die Grundlage für die Energieerzeugung aus Licht und energiereichen Verbindungen bilden.
KW  - biocatalysis
KW  - photocatalysis
KW  - quantum dots
KW  - photoelectrochemical sensor
KW  - enzymes
KW  - Biokatalyse
KW  - Photokatalyse
KW  - Quantum Dots
KW  - Photoelektrchemischer Sensor
KW  - Enzyme
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417280
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rodriguez Cubillos, Andres Eduardo
T1  - Understanding the impact of heterozygosity on metabolism, growth and hybrid necrosis within a local Arabidopsis thaliana collection site
T1  - Den Einfluss von Heterozygotie auf Stoffwechsel, Wachstum und Hybridnekrose innerhalb einer lokalen Arabidopsis thaliana-Sammelstelle verstehen
N2  - Plants are unable to move away from unwanted environments and therefore have to locally adapt to changing conditions. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), a model organism in plant biology, has been able to rapidly colonize a wide spectrum of environments with different biotic and abiotic challenges. In recent years, natural variation in Arabidopsis has shown to be an excellent resource to study genes underlying adaptive traits and hybridization’s impact on natural diversity. Studies on Arabidopsis hybrids have provided information on the genetic basis of hybrid incompatibilities and heterosis, as well as inheritance patterns in hybrids. However, previous studies have focused mainly on global accessions and yet much remains to be known about variation happening within a local growth habitat. In my PhD, I investigated the impact of heterozygosity at a local collection site of Arabidopsis and its role in local adaptation. I focused on two different projects, both including hybrids among Arabidopsis individuals collected around Tübingen in Southern Germany. The first project sought to understand the impact of hybridization on metabolism and growth within a local Arabidopsis collection site. For this, the inheritance patterns in primary and secondary metabolism, together with rosette size of full diallel crosses among seven parents originating from Southern Germany were analyzed. In comparison to primary metabolites, compounds from secondary metabolism were more variable and showed pronounced non-additive inheritance patterns. In addition, defense metabolites, mainly glucosinolates, displayed the highest degree of variation from the midparent values and were positively correlated with a proxy for plant size.
In the second project, the role of ACCELERATED CELL DEATH 6 (ACD6) in the defense response pathway of Arabidopsis necrotic hybrids was further characterized. Allelic interactions of ACD6 have been previously linked to hybrid necrosis, both among global and local Arabidopsis accessions. Hence, I characterized the early metabolic and ionic changes induced by ACD6, together with marker gene expression assays of physiological responses linked to its activation. An upregulation of simple sugars and metabolites linked to non-enzymatic antioxidants and the TCA cycle were detected, together with putrescine and acids linked to abiotic stress responses. Senescence was found to be induced earlier in necrotic hybrids and cytoplasmic calcium signaling was unaffected in response to temperature. In parallel, GFP-tagged constructs of ACD6 were developed.
This work therefore gave novel insights on the role of heterozygosity in natural variation and adaptation and expanded our current knowledge on the physiological and molecular responses associated with ACD6 activation.
N2  - Pflanzen sind sessile Organismen, die nicht in der Lage sind sich unerwünschten Lebensräumen zu entziehen, sodass sie sich an verschiedene Umweltbedingungen anpassen müssen. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) als Modellorganismus der Pflanzenbiologie war in der Lage eine Vielzahl von Lebensräumen zu kolonisieren und dabei verschiedenen biotischen und abiotischen Problemen zu trotzen. Natürliche Variation in Arabidopsis hat sich in den letzten Jahren als Mittel bewährt, um Gene zu analysieren, welche für adaptive Eigenschaften und natürliche Vielfalt verantwortlich sind. Studien über Arabidopsis-Hybride haben Erkenntnisse über die genetische Basis von Hybridinkompatibilitäten, Heterosis und Vererbungsmustern von Hybriden geliefert. Jedoch haben diese sich bisher lediglich mit globalen ökotyp befasst, sodass noch viele Informationen über Variation in einem lokalen Wachstumsgebiet fehlen.
In meiner Doktorarbeit habe ich den Einfluss von Heterozygotie in einer lokalen Arabidopsis-Population und deren Rolle bei der Adaption untersucht. Dabei habe ich mich auf zwei Themen fokussiert. Beide Themen beinhalteten Arabidopsis-Hybride zwischen Individuen, welche in der Region um Tübingen in Deutschland gesammelt wurden. Das erste Projekt zielte darauf ab, den Einfluss der Hybridisierung auf den Metabolismus und das Wachstum der Pflanzen in einer lokalen Arabidopsis-Population zu verstehen. Dafür wurden das Vererbungsmuster von Primär- und Sekundärmetaboliten, sowie die Rosettengröße von diallelen Kreuzungen zwischen sieben Elternpflanzen analysiert. Im Vergleich zum Primärstoffwechsel variierten Sekundärmetabolite stärker und zeigten nicht-additive Vererbungsmuster. Zusätzlich zeigten Abwehrstoffe – hauptsächlich Glukosinolate – die höchste Abweichung vom Mittelwert beider Eltern und waren in positiver Korrelation mit der Größe der Pflanzen.
In dem zweiten Projekt wurde die Rolle von ACCELERATED CELL DEATH 6 (ACD6) im Abwehrsignalweg von nekrotischen Arabidopsis-Hybriden detaillierter charakterisiert. Da die genetische Interaktion zwischen ACD6-Allelen von globalen und lokalen Arabidopsis-ökotypen bereits mit Hybridnekrose verknüpft wurde, habe ich frühe Metaboliten-, Ionen- und Expressionsänderungen von Markergenen charakterisiert, welche durch die Aktivierung von ACD6 induziert wurden. Eine Erhöhung von einfachen Zuckern und Metaboliten nicht-enzymatischer Antioxidantien und dem TCA-Zyklus wurde detektiert, sowie von Putrescin und anderen Säuren abiotischer Stressantworten. Es wurde nachgewiesen, dass Seneszenz früher in nekrotischen Hybriden induziert und zytoplasmatisches Calcium-Signaling nicht durch Temperatur beeinflusst wurde. Zusätzlich wurden GFP-markierte Konstrukte von ACD6 generiert.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diese Arbeit weitere Erkenntnisse über die Rolle von Heterozygotie in natürlicher Variation und Adaptation liefert und sie unser Wissen über die physiologischen und molekularen Veränderungen, verursacht durch die ACD6-Aktivierung, erweitert.
KW  - arabidopsis
KW  - diallel
KW  - nonadditive
KW  - inheritance
KW  - metabolism
KW  - variation
KW  - ACD6
KW  - adaptation
KW  - defense
KW  - necrosis
KW  - Arabidopsis
KW  - Dialel
KW  - nicht additiv
KW  - Erbe
KW  - Stoffwechsel
KW  - Variation
KW  - ACD6
KW  - Anpassung
KW  - Verteidigung
KW  - Nekrose
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-416758
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arias Andrés, María de Jesús
T1  - Microbial gene exchange on microplastic particles
T1  - Mikrobieller Gentransfer auf Mikroplastikpartikel
N2  - Plastic pollution is ubiquitous on the planet since several millions of tons of plastic waste enter aquatic ecosystems each year. Furthermore, the amount of plastic produced is expected to increase exponentially shortly. The heterogeneity of materials, additives and physical characteristics of plastics are typical of these emerging contaminants and affect their environmental fate in marine and freshwaters. Consequently, plastics can be found in the water column, sediments or littoral habitats of all aquatic ecosystems. Most of this plastic debris will fragment as a product of physical, chemical and biological forces, producing particles of small size. These particles (< 5mm) are known as “microplastics” (MP). Given their high surface-to-volume ratio, MP stimulate biofouling and the formation of biofilms in aquatic systems. 

As a result of their unique structure and composition, the microbial communities in MP biofilms are referred to as the “Plastisphere.” While there is increasing data regarding the distinctive composition and structure of the microbial communities that form part of the plastisphere, scarce information exists regarding the activity of microorganisms in MP biofilms. This surface-attached lifestyle is often associated with the increase in horizontal gene transfer (HGT) among bacteria. Therefore, this type of microbial activity represents a relevant function worth to be analyzed in MP biofilms. The horizontal exchange of mobile genetic elements (MGEs) is an essential feature of bacteria. It accounts for the rapid evolution of these prokaryotes and their adaptation to a wide variety of environments. The process of HGT is also crucial for spreading antibiotic resistance and for the evolution of pathogens, as many MGEs are known to contain antibiotic resistance genes (ARGs) and genetic determinants of pathogenicity.

In general, the research presented in this Ph.D. thesis focuses on the analysis of HGT and heterotrophic activity in MP biofilms in aquatic ecosystems. The primary objective was to analyze the potential of gene exchange between MP bacterial communities vs. that of the surrounding water, including bacteria from natural aggregates. Moreover, the thesis addressed the potential of MP biofilms for the proliferation of biohazardous bacteria and MGEs from wastewater treatment plants (WWTPs) and associated with antibiotic resistance. Finally, it seeks to prove if the physiological profile of MP biofilms under different limnological conditions is divergent from that of the water communities. Accordingly, the thesis is composed of three independent studies published in peer-reviewed journals. The two laboratory studies were performed using both model and environmental microbial communities. In the field experiment, natural communities from freshwater ecosystems were examined.

In Chapter I, the inflow of treated wastewater into a temperate lake was simulated with a concentration gradient of MP particles. The effects of MP on the microbial community structure and the occurrence of integrase 1 (int 1) were followed. The int 1 is a marker associated with mobile genetic elements and known as a proxy for anthropogenic effects on the spread of antimicrobial resistance genes. During the experiment, the abundance of int1 increased in the plastisphere with increasing MP particle concentration, but not in the surrounding water. In addition, the microbial community on MP was more similar to the original wastewater community with increasing microplastic concentrations. Our results show that microplastic particles indeed promote persistence of standard indicators of microbial anthropogenic pollution in natural waters.

In Chapter II, the experiments aimed to compare the permissiveness of aquatic bacteria towards model antibiotic resistance plasmid pKJK5, between communities that form biofilms on MP vs. those that are free-living. The frequency of plasmid transfer in bacteria associated with MP was higher when compared to bacteria that are free-living or in natural aggregates. Moreover, comparison increased gene exchange occurred in a broad range of phylogenetically-diverse bacteria. The results indicate a different activity of HGT in MP biofilms, which could affect the ecology of aquatic microbial communities on a global scale and the spread of antibiotic resistance.

Finally, in Chapter III, physiological measurements were performed to assess whether microorganisms on MP had a different functional diversity from those in water. General heterotrophic activity such as oxygen consumption was compared in microcosm assays with and without MP, while diversity and richness of heterotrophic activities were calculated by using Biolog® EcoPlates. Three lakes with different nutrient statuses presented differences in MP-associated biomass build up. Functional diversity profiles of MP biofilms in all lakes differed from those of the communities in the surrounding water, but only in the oligo-mesotrophic lake MP biofilms had a higher functional richness compared to the ambient water. The results support that MP surfaces act as new niches for aquatic microorganisms and can affect global carbon dynamics of pelagic environments.

Overall, the experimental works presented in Chapters I and II support a scenario where MP pollution affects HGT dynamics among aquatic bacteria. Among the consequences of this alteration is an increase in the mobilization and transfer efficiency of ARGs. Moreover, it supposes that changes in HGT can affect the evolution of bacteria and the processing of organic matter, leading to different catabolic profiles such as demonstrated in Chapter III. The results are discussed in the context of the fate and magnitude of plastic pollution and the importance of HGT for bacterial evolution and the microbial loop, i.e., at the base of aquatic food webs. The thesis supports a relevant role of MP biofilm communities for the changes observed in the aquatic microbiome as a product of intense human intervention.
N2  - Die Plastikverschmutzung ist auf dem Planeten allgegenwärtig, da jährlich mehrere Millionen Tonnen Plastikabfall in die aquatische Ökosystemen gelangen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Menge an produziertem Plastik in naher Zukunft exponentiell ansteigen wird. Die Heterogenität der Kunststoffmaterialien, ihrer Additive und physikalischen Eigenschaften ist typisch für diese neu auftretenden Schadstoffe und beeinflusst deren Umweltverhalten in Meeres- und Süßwasser. Als Folge kann Plastik in der Wassersäule, den Sedimenten oder Küstenlebensräumen aller aquatischen Ökosysteme gefunden werden. Die meisten dieser Plastikabfälle fragmentieren durch das Zusammenspiel physikalischer, chemischer und biologischer Kräfte, wodurch kleine Partikel erzeugt werden. Diese Partikel (<5mm) sind auch bekannt als "Mikroplastik" (MP). Aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses stimuliert MP das Biofouling und somit die Bildung von Biofilmen in aquatischen Systemen.

Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Zusammensetzung werden die mikrobiellen Gemeinschaften in MP-Biofilmen als "Plastisphäre" bezeichnet. Während es immer mehr Daten über die spezifische Zusammensetzung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften – die Teil dieser Plastisphäre sind – gibt, existieren hingegen nur wenige Informationen über die Aktivität von Mikroorganismen in MP-Biofilmen. Dieser Lebensstil des Anheftens und Besiedelns von Oberflächen ist oft mit der Zunahme von horizontalem Gentransfer (HGT) unter Bakterien verknüpft. Diese Art der mikrobiellen Aktivität stellt eine besonders relevante Funktion dar und sollte daher in MP-Biofilmen analysiert werden. Der horizontale Austausch von mobilen genetischen Elementen (MGEs) ist ein wesentliches Merkmal von Bakterien. Er ist verantwortlich für die schnelle Evolution dieser Prokaryoten und ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedenste Umweltbedingungen. Der Prozess des HGT ist zudem entscheidend für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen sowie für die Entwicklung von Pathogenen, da viele MGEs bekanntermaßen Antibiotikaresistenzgene (ARGs) und genetische Determinanten für Pathogenität enthalten.

Im Allgemeinen konzentriert sich die Forschung in der vorliegenden Dissertation auf die Analyse des HGT und der heterotrophen Aktivität in MP-Biofilmen in aquatischen Ökosystemen. Das Hauptziel besteht darin, das Potenzial des Genaustausches zwischen MP-Bakteriengemeinschaften und dem des umgebenden Wassers, einschließlich der Bakterien in natürlichen Aggregaten, zu analysieren. Darüber hinaus befasst sich diese Doktorarbeit mit dem Potenzial von MP-Biofilmen zur Ausbreitung biologisch gefährlicher Bakterien und MGEs, die aus Kläranlagen stammen und mit Antibiotikaresistenzen assoziiert sind. Schließlich soll bei verschiedenen limnologischen Bedingungen überprüft werden, ob das jeweilige physiologische Profil von MP-Biofilmen von dem der Wassergemeinschaften abweicht. Dementsprechend besteht die Arbeit aus drei unabhängigen Studien, die in Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. In den beiden Laborstudien wurden sowohl mikrobielle Modell- als auch Umwelt-Gemeinschaften betrachtet. Im Freilandexperiment wurden schließlich die natürlichen Gemeinschaften aus Süßwasserökosystemen untersucht.

In Kapitel I wurde der Zufluss von geklärtem Abwasser mit einem Konzentrationsgradienten von MP-Partikeln in einen See der gemäßigten Klimazone simuliert. Dabei wurden die Effekte von MP auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur und das Auftreten von Integrase 1 (int 1) verfolgt. Int 1 ist ein Marker, der mit mobilen genetischen Elementen assoziiert ist und zur Abschätzung anthropogener Einflüsse auf die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzgene verwendet ist. Während des Experiments erhöhte sich das Vorkommen von Int1 in der Plastisphäre mit zunehmender MP-Partikelkonzentration, jedoch nicht im umgebenden Wasser. Darüber hinaus ähnelte die mikrobielle Gemeinschaft auf MP zunehmend der ursprünglichen Abwassergemeinschaft mit steigender Mikroplastikkonzentration. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mikroplastikpartikel tatsächlich die Persistenz von Standardindikatoren mikrobieller anthropogener Verschmutzung in natürlichen Gewässern fördern.

In Kapitel II wurde die Permissivität von aquatischen Bakterien gegen das Modell-Plasmid für Antibiotikaresistenz pKJK5 zwischen Gemeinschaften, die Biofilme auf MP bilden, gegenüber denen, die frei leben, verglichen. Die Häufigkeit des Plasmidtransfers unter den MP-assoziierten Bakterien war höher als unter Bakterien, die frei oder in natürlichen Aggregaten leben. Der verstärkte Genaustausch trat darüber hinaus bei einem breiten Spektrum phylogenetisch diverser Bakterien auf. Die Ergebnisse deuten auf eine unterschiedliche Aktivität von HGT in MP-Biofilmen hin, welche die Ökologie aquatischer mikrobieller Gemeinschaften auf globaler Ebene sowie die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beeinflussen könnten.

Schließlich wurden in Kapitel III physiologische Messungen durchgeführt, um festzustellen, ob Mikroorganismen auf MP eine andere funktionelle Diversität aufwiesen als jene im Wasser. Die generelle heterotrophe Aktivität, wie der Sauerstoffverbrauch, wurde in Mikrokosmentests mit und ohne MP verglichen, während die Diversität und Vielfalt heterotropher Aktivitäten mit Hilfe von Biolog® EcoPlates berechnet wurden. Drei Seen mit unterschiedlichen Nährstoffbedingungen wiesen Unterschiede in der Ausprägung der MP-assoziierten Biomasse auf. In allen Seen unterschieden sich die funktionellen Diversitätsprofile der MP-Biofilme von denen der Gemeinschaften im umgebenden Wasser, aber nur die MP-Biofilme des oligo-mesotrophen Sees hatten eine höhere funktionelle Vielfalt im Verglichen zum Umgebungswasser. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass MP-Oberflächen als neue Nischen für aquatische Mikroorganismen fungieren und die globale Kohlenstoffdynamik im Pelagial beeinflussen können.

Insgesamt unterstützen die in den Kapiteln I und II vorgestellten experimentellen Studien ein Szenario, in dem die Umweltverschmutzung durch MP die HGT-Dynamik zwischen aquatischen Bakterien beeinflusst. Zu den Folgen dieser Veränderung gehört eine Erhöhung der Mobilisierungs- und Übertragungseffizienz von ARGs. Darüber hinaus wird vermutet, dass eine Beeinflussung des HGT die Evolution von Bakterien und die Umsetzung von organischem Material verändern könnte, was zu verschiedenen katabolischen Profilen führt, wie in Kapitel III gezeigt. Die Ergebnisse werden in Zusammenhang mit dem Ausmaß der Plastikverschmutzung sowie der Bedeutung von HGT für die bakterielle Entwicklung und „mikrobielle Schleife“, d. h. an der Basis der aquatischen Nahrungsnetze, diskutiert. Diese Doktorarbeit veranschaulicht die Bedeutung von MP-Biofilmgemeinschaften für die beobachteten Veränderungen des aquatischen Mikrobioms als eine Folge der intensiven anthropogenen Eingriffe.
KW  - microplastics
KW  - horizontal gene transfer
KW  - aquatic ecosystem
KW  - microorganisms
KW  - Mikroplastikpartikel
KW  - horizontaler Gentransfer
KW  - aquatische Ökosysteme
KW  - Mikroorganismen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417241
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TY  - THES
A1  - Ma, Xuemin
T1  - Characterization of NAC transcription factors involved in leaf senescence and fruit ripening in tomato
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schöne, Anne-Christin
T1  - Degradation of Aliphatic Polyesters at the Air-Water Interface - Capabilities of the Langmuir Monolayer Technique
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarzer, Christian
T1  - Climate change, adaptive divergence and their effects on species interactions in European bog-plant communities
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Hilgers, Leon
T1  - From innovation to diversification
BT  - the genetic basis of the molluscan radula and its adaptive diversification in Tylomelania
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Schwanhold, Nadine
T1  - Die Funktion und Spezifität der Molybdän-Cofaktor-bindenden Chaperone für die Formiat-Dehydrogenasen aus Escherichia coli und Rhodobacter capsulatus
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Pham, Phuong Anh
T1  - The metabolic significance of the NAD+ salvage pathway and the alternative pathway of respiration in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2018
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TY  - THES
A1  - Westbury, Michael V.
T1  - Unraveling evolution through Next Generation Sequencing
T1  - Entschlüsselung von Evolution durch Sequenzierung der nächsten Generation
N2  - The sequencing of the human genome in the early 2000s led to an increased interest in cheap and fast sequencing technologies. This interest culminated in the advent of next generation sequencing (NGS). A number of different NGS platforms have arisen since then all promising to do the same thing, i.e. produce large amounts of genetic information for relatively low costs compared to more traditional methods such as Sanger sequencing. The capabilities of NGS meant that researchers were no longer bound to species for which a lot of previous work had already been done (e.g. model organisms and humans) enabling a shift in research towards more novel and diverse species of interest. This capability has greatly benefitted many fields within the biological sciences, one of which being the field of evolutionary biology. Researchers have begun to move away from the study of laboratory model organisms to wild, natural populations and species which has greatly expanded our knowledge of evolution. NGS boasts a number of benefits over more traditional sequencing approaches. The main benefit comes from the capability to generate information for drastically more loci for a fraction of the cost. This is hugely beneficial to the study of wild animals as, even when large numbers of individuals are unobtainable, the amount of data produced still allows for accurate, reliable population and species level results from a small selection of individuals. 

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

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

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

Die Studien dieser Arbeit zeigen das Potential von NGS Sequenzierung und ihren Nutzen innerhalb der Evolutionsbiologie. Die nennenswertesten Anwendungen von NGS, die in dieser Arbeit hervorgehoben wurden, sind zum Einen der Nutzen für Organismen bzw. Arten für die es keine verfügbaren Referenzdaten gibt sowie zum Anderen die Gewinnung von großen Datenmengen, die die Grundlage bilden zur Beantwortung evolutionsbiologischer Fragestellungen auf Art- und Populationsebene, was vorhergegangene, traditionelle Methoden bisher nicht leisten konnten.
KW  - Next generation sequencing
KW  - Evolution
KW  - Hyena
KW  - Evolution
KW  - Hyäne
KW  - Sequenzierung der nächsten Generation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409981
ER  - 
TY  - THES
A1  - Al Fadel, Frdoos
T1  - Influence of sphingosine 1-phosphate and its receptor modulators on the development of liver fibrosis
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Abd Allah Salem, Mohamed
T1  - Comparative and systemic metabolomic analysis of the model plant Arabidopsis thaliana after perturbing the essential Target of Rapamycin (TOR) pathway
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Robalo, João Ramiro Alavedra Mendes
T1  - Investigating the role of fluorinated amino acids on protein structure and function using simulation
Y1  - 2018
ER  -