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To meet the demands of a growing world population while reducing carbon dioxide (CO2) emissions, it is necessary to capture CO2 and convert it into value-added compounds. In recent years, metabolic engineering of microbes has gained strong momentum as a strategy for the production of valuable chemicals. As common microbial feedstocks like glucose directly compete with human consumption, the one carbon (C1) compound formate was suggested as an alternative feedstock. Formate can be easily produced by various means including electrochemical reduction of CO2 and could serve as a feedstock for microbial production, hence presenting a novel entry point for CO2 to the biosphere and a storage option for excess electricity. Compared to the gaseous molecule CO2, formate is a highly soluble compound that can be easily handled and stored. It can serve as a carbon and energy source for natural formatotrophs, but these microbes are difficult to cultivate and engineer. In this work, I present the results of several projects that aim to establish efficient formatotrophic growth of E. coli – which cannot naturally grow on formate – via synthetic formate assimilation pathways. In the first study, I establish a workflow for growth-coupled metabolic engineering of E. coli. I demonstrate this approach by presenting an engineering scheme for the PFL-threonine cycle, a synthetic pathway for anaerobic formate assimilation in E. coli. The described methods are intended to create a standardized toolbox for engineers that aim to establish novel metabolic routes in E. coli and related organisms. The second chapter presents a study on the catalytic efficiency of C1-oxidizing enzymes in vivo. As formatotrophic growth requires generation of both energy and biomass from formate, the engineered E. coli strains need to be equipped with a highly efficient formate dehydrogenase, which provides reduction equivalents and ATP for formate assimilation. I engineered a strain that cannot generate reducing power and energy for cellular growth, when fed on acetate. Under this condition, the strain depends on the introduction of an enzymatic system for NADH regeneration, which could further produce ATP via oxidative phosphorylation. I show that the strain presents a valuable testing platform for C1-oxidizing enzymes by testing different NAD-dependent formate and methanol dehydrogenases in the energy auxotroph strain. Using this platform, several candidate enzymes with high in vivo activity, were identified and characterized as potential energy-generating systems for synthetic formatotrophic or methylotrophic growth in E. coli. In the third chapter, I present the establishment of the serine threonine cycle (STC) – a synthetic formate assimilation pathway – in E. coli. In this pathway, formate is assimilated via formate tetrahydrofolate ligase (FtfL) from Methylobacterium extorquens (M. extorquens). The carbon from formate is attached to glycine to produce serine, which is converted into pyruvate entering central metabolism. Via the natural threonine synthesis and cleavage route, glycine is regenerated and acetyl-CoA is produced as the pathway product. I engineered several selection strains that depend on different STC modules for growth and determined key enzymes that enable high flux through threonine synthesis and cleavage. I could show that expression of an auxiliary formate dehydrogenase was required to achieve growth via threonine synthesis and cleavage on pyruvate. By overexpressing most of the pathway enzymes from the genome, and applying adaptive laboratory evolution, growth on glycine and formate was achieved, indicating the activity of the complete cycle. The fourth chapter shows the establishment of the reductive glycine pathway (rGP) – a short, linear formate assimilation route – in E. coli. As in the STC, formate is assimilated via M. extorquens FtfL. The C1 from formate is condensed with CO2 via the reverse reaction of the glycine cleavage system to produce glycine. Another carbon from formate is attached to glycine to form serine, which is assimilated into central metabolism via pyruvate. The engineered E. coli strain, expressing most of the pathway genes from the genome, can grow via the rGP with formate or methanol as a sole carbon and energy source.
Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute präsentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren über Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stoffflüsse auch kurzfristig ändern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln können. Die Gobi-Wüste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftsprägenden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung gerückt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und äolischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalität zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stoffflüssen dar.. Andererseits ist die Gobi-Wüste zugleich auch eine bedeutende Quelle für den überregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien – Monsundynamik & Geoökosysteme (Förderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden für eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberflächenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, ergänzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe Wünnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, ergänzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum überregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stoffflüsse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Klärung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und möglichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Geländebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. Für die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegenübergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberflächensedimente ergibt für das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und ähnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngrößen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und ermöglichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den Dünensanden, den Stillwassersedimenten und Stäuben. Diese Ergebnisse können als Interpretationsgrundlage für die Korngrößenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es möglich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuhängen. Für das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zurückreichen. Während dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivitäts- und Stabilitätsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und Überprägung des Schwemmfächers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, während der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivitäten zu einer deutlich verstärkten Schwemmfächerdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem äolische Prozesse, die zu einer Überprägung des Schwemmfächers geführt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilität. Dies spiegelt die enorme Heterogenität der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die räumlichen Signale nicht sehr stark ausgeprägt sind. Dennoch, können für das Einzugsgebiet drei größere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das östliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich höhere Chloritgehalte als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das östliche Qilian Shan Vorland als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Grünschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verhältnis eine große Variabilität innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das östliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilität der Sedimentherkunft lässt sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen Änderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgeprägt, wie es die Quellsignale in den Oberflächensedimenten vermuten lassen. Ein Grund dafür scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente während des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngrößenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit überwiegend äolischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verhältnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben ermöglicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich größere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem können mit dieser Methode auch chemische Varietäten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer möglichen Sedimentherkunft ermöglichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abhängen. Die Heterogenität der Geologie und die Größe des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexität der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer ergänzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberflächenbeprobung zur feineren Auflösung von lokalen Sedimentquellen.
This paper investigates the predictions of the Derivational Complexity Hypothesis by studying the acquisition of wh-questions in 4- and 5-year-old Akan-speaking children in an experimental approach using an elicited production and an elicited imitation task. Akan has two types of wh-question structures (wh-in-situ and wh-ex-situ questions), which allows an investigation of children’s acquisition of these two question structures and their preferences for one or the other. Our results show that adults prefer to use wh-ex-situ questions over wh-in-situ questions. The results from the children show that both age groups have the two question structures in their linguistic repertoire. However, they differ in their preferences in usage in the elicited production task: while the 5-year-olds preferred the wh-in-situ structure over the wh-ex-situ structure, the 4-year-olds showed a selective preference for the wh-in-situ structure in who-questions. These findings suggest a developmental change in wh-question preferences in Akan-learning children between 4 and 5 years of age with a so far unobserved u-shaped developmental pattern. In the elicited imitation task, all groups showed a strong tendency to maintain the structure of in-situ and ex-situ questions in repeating grammatical questions. When repairing ungrammatical ex-situ questions, structural changes to grammatical in-situ questions were hardly observed but the insertion of missing morphemes while keeping the ex-situ structure. Together, our findings provide only partial support for the Derivational Complexity Hypothesis.
Objective: This study investigated intraindividual differences of intratendinous blood flow (IBF) in response to running exercise in participants with Achilles tendinopathy.
Design: This is a cross-sectional study.
Setting: The study was conducted at the University Outpatient Clinic.
Participants: Sonographic detectable intratendinous blood flow was examined in symptomatic and contralateral asymptomatic Achilles tendons of 19 participants (42 ± 13 years, 178 ± 10 cm, 76 ± 12 kg, VISA-A 75 ± 16) with clinically diagnosed unilateral Achilles tendinopathy and sonographic evident tendinosis.
Intervention: IBF was assessed using Doppler ultrasound “Advanced Dynamic Flow” before (Upre) and 5, 30, 60, and 120 min (U5–U120) after a standardized submaximal constant load run.
Main Outcome Measure: IBF was quantified by counting the number (n) of vessels in each tendon.
Results: At Upre, IBF was higher in symptomatic compared with asymptomatic tendons [mean 6.3 (95% CI: 2.8–9.9) and 1.7 (0.4–2.9), p < 0.01]. Overall, 63% of symptomatic and 47% of asymptomatic Achilles tendons responded to exercise, whereas 16 and 11% showed persisting IBF and 21 and 42% remained avascular throughout the investigation. At U5, IBF increased in both symptomatic and asymptomatic tendons [difference to baseline: 2.4 (0.3–4.5) and 0.9 (0.5–1.4), p = 0.05]. At U30 to U120, IBF was still increased in symptomatic but not in asymptomatic tendons [mean difference to baseline: 1.9 (0.8–2.9) and 0.1 (-0.9 to 1.2), p < 0.01].
Conclusion: Irrespective of pathology, 47–63% of Achilles tendons responded to exercise with an immediate acute physiological IBF increase by an average of one to two vessels (“responders”). A higher amount of baseline IBF (approximately five vessels) and a prolonged exercise-induced IBF response found in symptomatic ATs indicate a pain-associated altered intratendinous “neovascularization.”
Anton Schindling (1947–2020)
(2020)
Nach einer Einführung in die Geschichte der Strategiespiele und im Speziellen von 4X-Spielen wird das Phänomen der „Hands-off-Games“ erläutert. Im Anschluss wird ein Vorschlag unterbreitet, wie 4X-Geschichtsspiele im Unterricht eingesetzt werden können. Dabei soll ein 4X-Strategiespiel zu einem historischen Thema entworfen werden. Die Modellierung erfolgt in drei Arbeitsschritten: Themenfindung, Modellfindung, Parametrierung. In den Entwurf des Modells fließen viele Überlegungen ein, die zentrale Fragen der Gemeinschaftskunde betreffen.
Die Geschichte lebt!
(2020)
In „Die Geschichte lebt!“ skizziert der Autor fünf wichtige Prämissen zur erfolgreichen Entwicklung didaktischer Spielformen. Auf Basis seiner eigenen Tätigkeit als Game Designer exemplifiziert er diese anhand eigener digitaler und analoger Spielformen und erklärt anschaulich das eigene Vorgehen bei der Entwicklung von Serious Games und Lernspielen.
Der Beitrag beschäftigt sich mit dem Potential von Computerspielen für den Politikunterricht. Im Mittelpunkt steht die Frage, ob sich die Politiksimulation DEMOCRACY 3 für einen Einsatz in der gymnasialen Oberstufe eignet. Es wird herausgearbeitet, dass sich die Spieler von DEMOCRACY 3 mit den Auswirkungen politischer Entscheidungen auf die ökonomische, soziale und kulturelle Lage eines westlichen Landes auseinandersetzen, während die Komplexität politischer Aushandlungs- und Entscheidungsprozesse in demokratischen Regierungssystemen nicht erfahrbar wird. Die hier festgestellte Unvollständigkeit der politischen Simulation wird für die pädagogische Praxis aber nicht nur als Problem, sondern vor allem auch als didaktische Chance gesehen. Denn es sind gerade die Leer- und Schwachstellen der Simulation des Spieles, die besondere Anknüpfungsmöglichkeiten für den Unterricht bieten, da sie eine kritische Analyse der Simulation bzw. einen Vergleich mit der Realität politischer Prozesse und damit eine tiefe Auseinandersetzung mit Politik im Allgemeinen herausfordern. Schließlich werden drei konkrete Ideen für die schulische Praxis vorgestellt.
Der Beitrag befasst sich mit der Möglichkeit, Computerspiele aufgrund der bildlichen Stilmittel parallel zu Entwicklungen der Kunstgeschichte zu untersuchen. Hierzu wird auf die Stilanalyse des Schweizer Kunstwissenschaftlers Heinrich Wölfflin zurückgegriffen, der den Wandel der realistischen Malerei von der Renaissance zum Barock am Übergang von ‚flachen‘ zu ‚tiefen‘ Darstellungen festmacht. In einem zeitlich wesentlich kürzeren Abstand lässt sich die gleiche Veränderung am Übergang früher realistischer Computerspiele vom Anfang der 1990er Jahre bis zu den 2000er Jahren feststellen. Damit zeigt sich sowohl die Relevanz der kunstgeschichtlichen Auseinandersetzung mit Computerspielen, wie sich auch eine neue Perspektive auf die Frage nach digitalen Spielen ‚als Kunst‘ eröffnet.
The effects of exercise interventions on unspecific chronic low back pain (CLBP) have been investigated in many studies, but the results are inconclusive regarding exercise types, efficiency, and sustainability. This may be because the influence of psychosocial factors on exercise induced adaptation regarding CLBP is neglected. Therefore, this study assessed psychosocial characteristics, which moderate and mediate the effects of sensorimotor exercise on LBP. A single-blind 3-arm multicenter randomized controlled trial was conducted for 12-weeks. Three exercise groups, sensorimotor exercise (SMT), sensorimotor and behavioral training (SMT-BT), and regular routines (CG) were randomly assigned to 662 volunteers. Primary outcomes (pain intensity and disability) and psychosocial characteristics were assessed at baseline (M1) and follow-up (3/6/12/24 weeks, M2-M5). Multiple regression models were used to analyze whether psychosocial characteristics are moderators of the relationship between exercise and pain, meaning that psychosocial factors and exercise interact. Causal mediation analysis were conducted to analyze, whether psychosocial characteristics mediate the exercise effect on pain. A total of 453 participants with intermittent pain (mean age = 39.5 ± 12.2 years, f = 62%) completed the training. It was shown, that depressive symptomatology (at M4, M5), vital exhaustion (at M4), and perceived social support (at M5) are significant moderators of the relationship between exercise and the reduction of pain intensity. Further depressive mood (at M4), social-satisfaction (at M4), and anxiety (at M5 SMT) significantly moderate the exercise effect on pain disability. The amount of moderation was of clinical relevance. In contrast, there were no psychosocial variables which mediated exercise effects on pain. In conclusion it was shown, that psychosocial variables can be moderators in the relationship between sensorimotor exercise induced adaptation on CLBP which may explain conflicting results in the past regarding the merit of exercise interventions in CLBP. Results suggest further an early identification of psychosocial risk factors by diagnostic tools, which may essential support the planning of personalized exercise therapy.
Level of Evidence: Level I.
Clinical Trial Registration: DRKS00004977, LOE: I, MiSpEx: grant-number: 080102A/11-14. https://www.drks.de/drks_web/navigate.do?navigationId=trial.HTML&TRIAL_ID=DRKS00004977.