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With Saccharomyces cerevisiae being a commonly used host organism for synthetic biology and biotechnology approaches, the work presented here aims at the development of novel tools to improve and facilitate pathway engineering and heterologous protein production in yeast. Initially, the multi-part assembly strategy AssemblX was established, which allows the fast, user-friendly and highly efficient construction of up to 25 units, e.g. genes, into a single DNA construct. To speed up complex assembly projects, starting from sub-gene fragments and resulting in mini-chromosome sized constructs, AssemblX follows a level-based approach: Level 0 stands for the assembly of genes from multiple sub-gene fragments; Level 1 for the combination of up to five Level 0 units into one Level 1 module; Level 2 for linkages of up to five Level 1 modules into one Level 2 module. This way, all Level 0 and subsequently all Level 1 assemblies can be carried out simultaneously. Individually planned, overlap-based Level 0 assemblies enable scar-free and sequence-independent assemblies of transcriptional units, without limitations in fragment number, size or content. Level 1 and Level 2 assemblies, which are carried out via predefined, computationally optimized homology regions, follow a standardized, highly efficient and PCR-free scheme. AssemblX follows a virtually sequence-independent scheme with no need for time-consuming domestication of assembly parts. To minimize the risk of human error and to facilitate the planning of assembly projects, especially for individually designed Level 0 constructs, the whole AssemblX process is accompanied by a user-friendly webtool. This webtool provides the user with an easy-to-use operating surface and returns a bench-protocol including all cloning steps. The efficiency of the assembly process is further boosted through the implementation of different features, e.g. ccdB counter selection and marker switching/reconstitution. Due to the design of homology regions and vector backbones the user can flexibly choose between various overlap-based cloning methods, enabling cost-efficient assemblies which can be carried out either in E. coli or yeast. Protein production in yeast is additionally supported by a characterized library of 40 constitutive promoters, fully integrated into the AssemblX toolbox. This provides the user with a starting point for protein balancing and pathway engineering. Furthermore, the final assembly cassette can be subcloned into any vector, giving the user the flexibility to transfer the individual construct into any host organism different from yeast.
As successful production of heterologous compounds generally requires a precise adjustment of protein levels or even manipulation of the host genome to e.g. inhibit unwanted feedback regulations, the optogenetic transcriptional regulation tool PhiReX was designed. In recent years, light induction was reported to enable easy, reversible, fast, non-toxic and nearly gratuitous regulation, thereby providing manifold advantages compared to conventional chemical inducers. The optogenetic interface established in this study is based on the photoreceptor PhyB and its interacting protein PIF3. Both proteins, derived from Arabidopsis thaliana, dimerize in a red/far-red light-responsive manner. This interaction depends on a chromophore, naturally not available in yeast. By fusing split proteins to both components of the optical dimerizer, active enzymes can be reconstituted in a light-dependent manner. For the construction of the red/far-red light sensing gene expression system PhiReX, a customizable synTALE-DNA binding domain was fused to PhyB, and a VP64 activation domain to PIF3. The synTALE-based transcription factor allows programmable targeting of any desired promoter region. The first, plasmid-based PhiReX version mediates chromophore- and light-dependent expression of the reporter gene, but required further optimization regarding its robustness, basal expression and maximum output. This was achieved by genome-integration of the optical regulator pair, by cloning the reporter cassette on a high-copy plasmid and by additional molecular modifications of the fusion proteins regarding their cellular localization. In combination, this results in a robust and efficient activation of cells over an incubation time of at least 48 h. Finally, to boost the potential of PhiReX for biotechnological applications, yeast was engineered to produce the chromophore. This overcomes the need to supply the expensive and photo-labile compound exogenously. The expression output mediated through PhiReX is comparable to the strong constitutive yeast TDH3 promoter and - in the experiments described here - clearly exceeds the commonly used galactose inducible GAL1 promoter.
The fast-developing field of synthetic biology enables the construction of complete synthetic genomes. The upcoming Synthetic Yeast Sc2.0 Project is currently underway to redesign and synthesize the S. cerevisiae genome. As a prerequisite for the so-called “SCRaMbLE” system, all Sc2.0 chromosomes incorporate symmetrical target sites for Cre recombinase (loxPsym sites), enabling rearrangement of the yeast genome after induction of Cre with the toxic hormonal substance beta-estradiol. To overcome the safety concern linked to the use of beta-estradiol, a red light-inducible Cre recombinase, dubbed L-SCRaMbLE, was established in this study. L-SCRaMbLE was demonstrated to allow a time- and chromophore-dependent recombination with reliable off-states when applied to a plasmid containing four genes of the beta-carotene pathway, each flanked with loxPsym sites. When directly compared to the original induction system, L-SCRaMbLE generates a larger variety of recombination events and lower basal activity. In conclusion, L-SCRaMbLE provides a promising and powerful tool for genome rearrangement.
The three tools developed in this study provide so far unmatched possibilities to tackle complex synthetic biology projects in yeast by addressing three different stages: fast and reliable biosynthetic pathway assembly; highly specific, orthogonal gene regulation; and tightly controlled synthetic evolution of loxPsym-containing DNA constructs.
Im Fokus der kumulativen Dissertationsschrift stehen Grundschullehrerinnen und Grundschullehrer in ihrer Rolle als Diagnostikerinnen und Diagnostiker. Exemplarisch werden mit der Einschätzung von Aufgabenschwierigkeiten und der Feststellung von Sprachförderbedarf zwei diagnostische Herausforderungen untersucht, die Lehrkräfte an Grundschulen bewältigen müssen.
Die vorliegende Arbeit umfasst drei empirische Teilstudien, die in einem Rahmentext integriert sind, in dem zunächst die theoretischen Hintergründe und die empirische Befundlage erläutert werden. Hierbei wird auf die diagnostische Kompetenz von Lehrkräften bzw. die Genauigkeit von Lehrerurteilen eingegangen. Ferner wird der Einsatz standardisierter Testinstrumente als wichtiger Bestandteil des diagnostischen Aufgabenfeldes von Lehrkräften charakterisiert. Außerdem werden zentrale Aspekte der Sprachdiagnostik in der Grundschule dargestellt.
In Teilstudie 1 (Hoffmann & Böhme, 2014b) wird der Frage nachgegangen, wie akkurat Grundschullehrerinnen und -lehrer die Schwierigkeit von Deutsch- und Mathematikaufgaben einschätzen. Darüber hinaus wird untersucht, welche Faktoren mit der Über- oder Unterschätzung der Schwierigkeit von Aufgaben zusammenhängen.
In Teilstudie 2 (Hoffmann & Böhme, 2017) wird geprüft, inwiefern die Klassifikationsgüte von Entschei¬dungen zum sprachlichen Förderbedarf mit den hierfür genutzten diagnostischen Informationsquellen kovariiert. Der Fokus liegt hierbei vor allem auf der Untersuchung von Effekten des Einsatzes von sprachdiagnostischen Verfahren.
Teilstudie 3 (Hoffmann, Böhme & Stanat, 2017) untersucht schließlich die Frage, welche diagnostischen Verfahren gegenwärtig bundesweit an den Grundschulen zur Feststellung sprachlichen Förderbedarfs genutzt werden und ob diese Verfahren etwa testtheoretischen Gütekriterien genügen.
Die zentralen Ergebnisse der Teilstudien werden im Rahmentext zusammen¬gefasst und studienübergreifend diskutiert. Hierbei wird auch auf methodische Stärken und Schwächen der drei Beiträge sowie auf Implikationen für die zukünftige Forschung und die schulische Praxis hingewiesen.
Prosody is a rich source of information that heavily supports spoken language comprehension. In particular, prosodic phrase boundaries divide the continuous speech stream into chunks reflecting the semantic and syntactic structure of an utterance. This chunking or prosodic phrasing plays a critical role in both spoken language processing and language acquisition. Aiming at a better understanding of the underlying processing mechanisms and their acquisition, the present work investigates factors that influence prosodic phrase boundary perception in adults and infants. Using the event-related potential (ERP) technique, three experimental studies examined the role of prosodic context (i.e., phrase length) in German phrase boundary perception and of the main prosodic boundary cues, namely pitch change, final lengthening, and pause. With regard to the boundary cues, the dissertation focused on the questions which cues or cue combination are essential for the perception of a prosodic boundary and on whether and how this cue weighting develops during infancy.
Using ERPs is advantageous because the technique captures the immediate impact of (linguistic) information during on-line processing. Moreover, as it can be applied independently of specific task demands or an overt response performance, it can be used with both infants and adults. ERPs are particularly suitable to study the time course and underlying mechanisms of boundary perception, because a specific ERP component, the Closure Positive Shift (CPS) is well established as neuro-physiological indicator of prosodic boundary perception in adults.
The results of the three experimental studies first underpin that the prosodic context plays an immediate role in the processing of prosodic boundary information. Moreover, the second study reveals that adult listeners perceive a prosodic boundary also on the basis of a sub-set of the boundary cues available in the speech signal. Both ERP and simultaneously collected behavioral data (i.e., prosodic judgements) suggest that the combination of pitch change and final lengthening triggers boundary perception; however, when presented as single cues, neither pitch change nor final lengthening were sufficient. Finally, testing six- and eight-month-old infants shows that the early sensitivity for prosodic information is reflected in a brain response resembling the adult CPS. For both age groups, brain responses to prosodic boundaries cued by pitch change and final lengthening revealed a positivity that can be interpreted as a CPS-like infant ERP component. In contrast, but comparable to the adults’ response pattern, pitch change as a single cue does not provoke an infant CPS. These results show that infant phrase boundary perception is not exclusively based on pause detection and hint at an early ability to exploit subtle, relational prosodic cues in speech perception.
Dark matter, DM, has not yet been directly observed, but it has a very solid theoretical basis. There are observations that provide indirect evidence, like galactic rotation curves that show that the galaxies are rotating too fast to keep their constituent parts, and galaxy clusters that bends the light coming from behind-lying galaxies more than expected with respect to the mass that can be calculated from what can be visibly seen. These observations, among many others, can be explained with theories that include DM. The missing piece is to detect something that can exclusively be explained by DM. Direct observation in a particle accelerator is one way and indirect detection using telescopes is another. This thesis is focused on the latter method.
The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, V ERITAS, is a telescope array that detects Cherenkov radiation. Theory predicts that DM particles annihilate into, e.g., a γγ pair and create a distinctive energy spectrum when detected by such telescopes, e.i., a monoenergetic line at the same energy as the particle mass. This so called ”smoking-gun” signature is sought with a sliding window line search within the sub-range ∼ 0.3 − 10 TeV of the VERITAS energy range, ∼ 0.01 − 30 TeV.
Standard analysis within the VERITAS collaboration uses Hillas analysis and look-up tables, acquired by analysing particle simulations, to calculate the energy of the particle causing the Cherenkov shower. In this thesis, an improved analysis method has been used. Modelling each shower as a 3Dgaussian should increase the energy recreation quality. Five dwarf spheroidal galaxies were chosen as targets with a total of ∼ 224 hours of data. The targets were analysed individually and stacked. Particle simulations were based on two simulation packages, CARE and GrISU.
Improvements have been made to the energy resolution and bias correction, up to a few percent each, in comparison to standard analysis. Nevertheless, no line with a relevant significance has been detected. The most promising line is at an energy of ∼ 422 GeV with an upper limit cross section of 8.10 · 10^−24 cm^3 s^−1 and a significance of ∼ 2.73 σ, before trials correction and ∼ 1.56 σ after. Upper limit cross sections have also been calculated for the γγ annihilation process and four other outcomes. The limits are in line with current limits using other methods, from ∼ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1. Future larger telescope arrays, like the upcoming Cherenkov Telescope Array, CTA, will provide better results with the help of this analysis method.
In der vorliegenden Dissertation werden lebensweltliche Erfahrungszusammenhänge in 128 Aufsätzen ausländischer Studierender, die oft auch als Bildungsausländer bezeichnet werden, und grundsätzliche Prozesse bei der Herausbildung sowie Veränderung kollektiver Zuschreibungen im Rahmen der sozialen Identitätsbildung hermeneutisch untersucht.
Mit Hilfe der nach der empirischen Methode der Grounded Theory kodierten Interpretationsergebnisse werden in der qualitativen Längsschnittstudie Vergleiche angestellt, sowohl fallintern als auch fallübergreifend, um Muster zu entdecken, Typologien zu konstruieren und die jeweiligen (kulturellen) Horizonte in den Aufsätzen zu verallgemeinern.
Neben der Grounded Theory bildet die Theorie der „alltäglichen Lebenswelt“ (Alfred Schütz) eine Basis der Herangehensweise an die Untersuchung der Aufsätze. In diesem Kontext wird ausgehend von der graduellen Unterteilung der Fremdheit in alltägliche, strukturelle und radikale Fremdheit sowie ausgehend von Goffmans Identitätskonzept der Frage nachgegangen, inwieweit sich in den untersuchten Texten die Bildung und Veränderung sozialer Identitäten feststellen lassen. Dabei werden Akkulturationsprozesse und Prozesse der Selbstidentifikation, bezüglich einer angenommenen Gemeinschaft, analysiert, die von kollektiven (kulturellen) Schemata bestimmt sind. In diesem Zusammenhang kann die vorliegende Dissertation zeigen, dass sich bestimmte kulturelle Schemata in der Auseinandersetzung mit dem vormals neuen Leben in Deutschland herausgebildet haben und bestimmte ältere Erfahrungen immer wieder zur Bestätigung dieser Bilder bzw. Erfahrungsschemata herangezogen und wie der Abdruck in Gestein fossiliert werden.
Herstellung anisotroper Kolloide mittels templatgesteuerter Assemblierung und Kontaktdruckverfahren
(2017)
Diese Arbeit befasste sich mit neuen Konzepten zur Darstellung anisotroper Partikelsysteme durch Anordnung von funktionalisierten Partikeln unter Zuhilfenahme etablierter Methoden wie der templatgestützten Assemblierung von Partikeln und dem Mikrokontaktdruck.
Das erste Teilprojekt beschäftigte sich mit der kontrollierten Herstellung von Faltenstrukturen im Mikro- bis Nanometerbereich. Die Faltenstrukturen entstehen durch die Relaxation eines Systems bestehend aus zwei übereinander liegender Schichten unterschiedlicher Elastizität. In diesem Fall wurden Falten auf einem elastischen PDMS-Substrat durch Generierung einer Oxidschicht auf der Substratoberfläche mittels Plasmabehandlung erzeugt. Die Dicke der Oxidschicht, die über verschiedene Parameter wie Behandlungszeit, Prozessleistung, Partialdruck des plasmaaktiven Gases, Vernetzungsgrad, Deformation sowie Substratdicke einstellbar war, bestimmte Wellenlänge und Amplitude der Falten.
Das zweite Teilprojekt hatte die Darstellung komplexer, kolloidaler Strukturen auf Basis supramolekularer Wechselwirkungen zum Ziel. Dazu sollte vor allem die templatgestützte Assemblierung von Partikeln sowohl an fest-flüssig als auch flüssig-flüssig Grenzflächen genutzt werden. Für Erstere sollten die in Teilprojekt 1 hergestellten Faltenstrukturen als Templat, für Letztere Pickering-Emulsionen zur Anwendung kommen. Im ersten Fall wurden verschiedene, modifizierte Silicapartikel und Magnetitnanopartikel, deren Größe und Oberflächenfunktionalität (Cyclodextrin-, Azobenzol- und Arylazopyrazolgruppen) variierte, in Faltenstrukturen angeordnet. Die Anordnung hing dabei nicht nur vom gewählten Verfahren, sondern auch von Faktoren wie der Partikelkonzentration, der Oberflächenladung oder dem Größenverhältnis der Partikel zur Faltengeometrie ab.
Die Kombination von Cyclodextrin (CD)- und Arylazopyrazol-modifizierten Partikeln ermöglichte, auf Basis einer Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen den Partikeltypen und einer templatgesteuerten Anordnung, die Bildung komplexer und strukturierter Formen in der Größenordnung mehrerer Mikrometer. Dieses System kann einerseits als Grundlage für die Herstellung verschiedener Janus-Partikel herangezogen werden, andererseits stellt die gerichtete Vernetzung zweier Partikelsysteme zu größeren Aggregaten den Grundstein für neuartige, funktionale Materialien dar. Neben der Anordnung an fest-flüssig Grenzflächen konnte außerdem nachgewiesen werden, dass Azobenzol-funktionalisierte Silicapartikel in der Lage sind, Pickering-Emulsionen über mehrere Monate zu stabilisieren. Die Stabilität und Größe der Emulsionsphase kann über Parameter, wie das Volumenverhältnis und die Konzentration, gesteuert werden. CD-funktionalisierte Silicapartikel besaßen dagegen keine Grenzflächenaktivität, während es CD-basierten Polymeren wiederum möglich war, durch die Ausbildung von Einschlusskomplexen mit den hydrophoben Molekülen der Ölphase stabile Emulsionen zu bilden. Dagegen zeigte die Kombination zwei verschiedener Partikelsysteme keinen oder einen destabilisierenden Effekt bezüglich der Ausbildung von Emulsionen.
Im letzten Teilprojekt wurde die Herstellung multivalenter Silicapartikel mittels Mikrokontaktdruck untersucht. Die Faltenstrukturen wurden dabei als Stempel verwendet, wodurch es möglich war, die Patch-Geometrie über die Wellenlänge der Faltenstrukturen zu steuern. Als Tinte diente das positiv geladene Polyelektrolyt Polyethylenimin (PEI), welches über elektrostatische Wechselwirkungen auf unmodifizierten Silicapartikeln haftet. Im Gegensatz zum Drucken mit flachen Stempeln fiel dabei zunächst auf, dass sich die Tinte bei den Faltenstrukturen nicht gleichmäßig über die gesamte Substratfläche verteilt, sondern hauptsächlich in den Faltentälern vorlag. Dadurch handelte es sich bei dem Druckprozess letztlich nicht mehr um ein klassisches Mikrokontaktdruckverfahren, sondern um ein Tiefdruckverfahren. Über das Tiefdruckverfahren war es dann aber möglich, sowohl eine als auch beide Partikelhemisphären gleichzeitig und mit verschiedenen Funktionalitäten zu modifizieren und somit multivalente Silicapartikel zu generieren. In Abhängigkeit der Wellenlänge der Falten konnten auf einer Partikelhemisphäre zwei bis acht Patches abgebildet werden. Für die Patch-Geometrie, sprich Größe und Form der Patches, spielten zudem die Konzentration der Tinte auf dem Stempel, das Lösungsmittel zum Ablösen der Partikel nach dem Drucken sowie die Stempelhärte eine wichtige Rolle. Da die Stempelhärte aufgrund der variierenden Dicke der Oxidschicht bei verschiedenen Wellenlängen nicht kontant ist, wurden für den Druckprozess meist Abgüsse der Faltensubstrate verwendet. Auf diese Weise war auch die Vergleichbarkeit bei variierender Wellenlänge gewährleistet. Neben dem erfolgreichen Nachweis der Modifikation mittels Tiefdruckverfahren konnte auch gezeigt werden, dass über die Komplexierung mit PEI negativ geladene Nanopartikel auf die Partikeloberfläche aufgebracht werden können.
Among modern functional materials, the class of nitrogen-containing carbons combines non-toxicity and sustainability with outstanding properties. The versatility of this materials class is based on the opportunity to tune electronic and catalytic properties via the nitrogen content and –motifs: This ranges from the electronically conducting N-doped carbon, where few carbon atoms in the graphitic lattice are substituted by nitrogen, to the organic semiconductor graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), with a structure based on tri-s-triazine units.
In general, composites can reveal outstanding catalytic properties due to synergistic behavior, e.g. the formation of electronic heterojunctions. In this thesis, the formation of an “all-carbon” heterojunction was targeted, i.e. differences in the electronic properties of the single components were achieved by the introduction of different nitrogen motives into the carbon lattice. Such composites are promising as metal-free catalysts for the photocatalytic water splitting. Here, hydrogen can be generated from water by light irradiation with the use of a photocatalyst. As first part of the heterojunction, the organic semiconductor g-C₃N₄ was employed, because of its suitable band structure for photocatalytic water splitting, high stability and non-toxicity. The second part was chosen as C₂N, a recently discovered semiconductor. Compared to g-C₃N₄, the less nitrogen containing C₂N has a smaller band gap and a higher absorption coefficient in the visible light range, which is expected to increase the optical absorption in the composite eventually leading to an enhanced charge carrier separation due to the formation of an electronic heterojunction.
The aim of preparing an “all-carbon” composite included the research on appropriate precursors for the respective components g-C₃N₄ and C₂N, as well as strategies for appropriate structuring. This was targeted by applying precursors which can form supramolecular pre-organized structures. This allows for more control over morphology and atom patterns during the carbonization process.
In the first part of this thesis, it was demonstrated how the photocatalytic activity of g-C₃N₄ can be increased by the targeted introduction of defects or surface terminations. This was achieved by using caffeine as a “growth stopping” additive during the formation of the hydrogen-bonded supramolecular precursor complexes. The increased photocatalytic activity of the obtained materials was demonstrated with dye degradation experiments.
The second part of this thesis was focused on the synthesis of the second component C₂N. Here, a deep eutectic mixture from hexaketocyclohexane and urea was structured using the biopolymer chitosan. This scaffolding resulted in mesoporous nitrogen-doped carbon monoliths and beads. CO₂- and dye-adsorption experiments with the obtained monolith material revealed a high isosteric heat of CO₂-adsorption and showed the accessibility of the monolithic pore system to larger dye molecules. Furthermore, a novel precursor system for C₂N was explored, based on organic crystals from squaric acid and urea. The respective C₂N carbon with an unusual sheet-like morphology could be synthesized by carbonization of the crystals at 550 °C. With this precursor system, also microporous C₂N carbon with a BET surface area of 865 m²/g was obtained by “salt-templating” with ZnCl₂.
Finally, the preparation of a g-C₃N₄/C₂N “all carbon” composite heterojunction was attempted by the self-assembly of g-C₃N₄ and C₂N nanosheets and tested for photocatalytic water splitting. Indeed, the composites revealed high rates of hydrogen evolution when compared to bulk g-C₃N₄. However, the increased catalytic activity was mainly attributed to the high surface area of the nanocomposites rather than to the composition. With regard to alternative composite synthesis ways, first experiments indicated N-Methyl-2-pyrrolidon to be suitable for higher concentrated dispersion of C₂N nanosheets. Eventually, the results obtained in this thesis provide precious synthetic contributions towards the preparation and processing of carbon/nitrogen compounds for energy applications.
Die vorliegende Arbeit mit dem Titel „Eine Frage der Zeit. Wie Einflüsse individueller Merkmale auf Einkommen bei Frauen über ihre familiären Verpflichtungen vermittelt werden“ geht der Frage der Heterogenität bei weiblichen Einkommensergebnissen nach. Dabei steht die Thematik der individuellen Investitionen in die familiäre Arbeit als erklärender Faktor im Vordergrund und es wird der Frage nachgegangen, warum die einen Frauen viele und andere weniger häusliche Verpflichtungen übernehmen. Hierfür werden das individuelle Humankapital der Frauen, ihre Werteorientierungen und individuelle berufliche Motivationen aus der Jugendzeit und im Erwachsenenalter herangezogen. Die analysierten Daten (Daten der LifE-Studie) repräsentieren eine Langzeitperspektive vom 16. bis zum 45. Lebensjahr der befragten Frauen. Zusammenfassend kann im Ergebnis gezeigt werden, dass ein Effekt familiärer Verpflichtungen auf Einkommensergebnisse bei Frauen im frühen und mittleren Erwachsenenalter als Zeiteffekt über die investierte Erwerbsarbeitszeit vermittelt wird. Die Relevanz privater Routinearbeiten für Berufserfolge von Frauen und insbesondere Müttern stellt somit eine Frage der Zeit dar. Weiterhin kann für individuelle Einflüsse auf Einkommen bei Frauen gezeigt werden, dass höhere zeitliche Investitionen in den Beruf von Frauen mit hohem Bildungsniveau als indirect-only-Mediation nur über die Umverteilung häuslicher Arbeiten erklärbar werden. Frauen sind demnach zwar Gewinnerinnen der Bildungsexpansion. Die Bildungsexpansion stellt jedoch auch die Geschichte der Entstehung eines Vereinbarkeitskonflikts für eben diese Frauen dar, weil die bis heute virulenten Beharrungskräfte hinsichtlich der Frauen zugeschriebenen familiären Verpflichtungen mit ihren gestiegenen beruflichen Erwartungen und Chancen kollidieren. Die Arbeit leistet in ihren Analyseresultaten einen wichtigen Beitrag zur Erklärung heterogener Investitionen von Frauen in den Beruf und ihrer Einkommensergebnisse aus dem Privaten heraus.
Background: Obesity is thought to be the consequence of an unhealthy nutrition and a lack of physical activity. Although the resulting metabolic alterations such as impaired glucose homeostasis and insulin sensitivity can usually be improved by physical activity, some obese patients fail to enhance skeletal muscle metabolic health with exercise training. Since this might be largely heritable, maternal nutrition during pregnancy and lactation is hypothesized to impair offspring skeletal muscle physiology.
Objectives: This PhD thesis aims to investigate the consequences of maternal high-fat diet (mHFD) consumption on offspring skeletal muscle physiology and exercise performance. We could show that maternal high-fat diet during gestation and lactation decreases the offspring’s training efficiency and endurance performance by influencing the epigenetic profile of their skeletal muscle and altering the adaptation to an acute exercise bout, which in long-term, increases offspring obesity susceptibility.
Experimental setup: To investigate this issue in detail, we conducted several studies with a similar maternal feeding regime. Dams (C57BL/6J) were either fed a low-fat diet (LFD; 10 energy% from fat) or high-fat diet (HFD; 40 energy% from fat) during pregnancy and lactation. After weaning, male offspring of both maternal groups were switched to a LFD, on which they remained until sacrifice in week 6, 15 or 25. In one study, LFD feeding was followed by HFD provision from week 15 until week 25 to elucidate the effects on offspring obesity susceptibility. In week 7, all mice were randomly allocated to a sedentary group (without running wheel) or an exercised group (with running wheel for voluntary exercise training). Additionally, treadmill endurance tests were conducted to investigate training performance and efficiency. In order to uncover regulatory mechanisms, each study was combined with a specific analytical setup, such as whole genome microarray analysis, gene and protein expression analysis, DNA methylation analyses, and enzyme activity assays.
Results: mHFD offspring displayed a reduced training efficiency and endurance capacity. This was not due to an altered skeletal muscle phenotype with changes in fiber size, number, and type. DNA methylation measurements in 6 week old offspring showed a hypomethylation of the Nr4a1 gene in mHFD offspring leading to an increased gene expression. Since Nr4a1 plays an important role in the regulation of skeletal muscle energy metabolism and early exercise adaptation, this could affect offspring training efficiency and exercise performance in later life.
Investigation of the acute response to exercise showed that mHFD offspring displayed a reduced gene expression of vascularization markers (Hif1a, Vegfb, etc) pointing towards a reduced angiogenesis which could possibly contribute to their reduced endurance capacity. Furthermore, an impaired glucose utilization of skeletal muscle during the acute exercise bout by an impaired skeletal muscle glucose handling was evidenced by higher blood glucose levels, lower GLUT4 translocation and diminished Lactate dehydrogenase activity in mHFD offspring immediately after the endurance test. These points towards a disturbed use of glucose as a substrate during endurance exercise. Prolonged HFD feeding during adulthood increases offspring fat mass gain in mHFD offspring compared to offspring from low-fat fed mothers and also reduces their insulin sensitivity pointing towards a higher obesity and diabetes susceptibility despite exercise training. Consequently, mHFD reduces offspring responsiveness to the beneficial effects of voluntary exercise training.
Conclusion: The results of this PhD thesis demonstrate that mHFD consumption impairs the offspring’s training efficiency and endurance capacity, and reduced the beneficial effects of exercise on the development of diet-induced obesity and insulin resistance in the offspring.
This might be due to changes in skeletal muscle epigenetic profile and/or an impaired skeletal muscle angiogenesis and glucose utilization during an acute exercise bout, which could contribute to a disturbed adaptive response to exercise training.
Die Arktis erwärmt sich schneller als der Rest der Erde. Die Auswirkungen manifestieren sich unter Anderem in einer verstärkten Erwärmung der arktischen Grenzschicht. Diese Arbeit befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen synoptischen Zyklonen und der arktischen Atmosphäre auf lokalen bis überregionalen Skalen. Ausgangspunkt dafür sind Messdaten und Modellsimulationen für den Zeitraum der N-ICE2015 Expedition, die von Anfang Januar bis Ende Juni 2015 im arktischen Nordatlantiksektor stattgefunden hat.
Anhand von Radiosondenmessungen lassen sich Auswirkungen von synoptischen Zyklonen am deutlichsten im Winter erkennen, da sie durch die Advektion warmer und feuchter Luftmassen in die Arktis den Zustand der Atmosphäre von einem strahlungs-klaren in einen strahlungs-opaken ändern. Obwohl dieser scharfe Kontrast nur im Winter existiert, zeigt die Analyse, dass der integrierte Wasserdampf als Indikator für die Advektion von Luftmassen aus niedrigen Breiten in die Arktis auch im Frühjahr geeignet ist. Neben der Advektion von Luftmassen wird der Einfluss der Zyklonen auf die statische Stabilität charakterisiert. Beim Vergleich der N-ICE2015 Beobachtungen mit der SHEBA Kampagne (1997/1998), die über dickerem Eis stattfand, finden sich trotz der unterschiedlichen Meereisregime Ähnlichkeiten in der statischen Stabilität der Atmosphäre. Die beobachteten Differenzen in der Stabilität lassen sich auf Unterschiede in der synoptischen Aktivität zurückführen. Dies lässt vermuten, dass die dünnere Eisdecke auf saisonalen Zeitskalen nur einen geringen Einfluss auf die thermodynamische Struktur der arktischen Troposphäre besitzt, solange eine dicke Schneeschicht sie bedeckt. Ein weiterer Vergleich mit den parallel zur N-ICE2015 Kampagne gestarteten Radiosonden der AWIPEV Station in Ny-Åesund, Spitzbergen, macht deutlich, dass die synoptischen Zyklonen oberhalb der Orographie auf saisonalen Zeitskalen das Wettergeschehen bestimmen.
Des Weiteren werden für Februar 2015 die Auswirkungen von in der Vertikalen variiertem Nudging auf die Entwicklung der Zyklonen am Beispiel des hydrostatischen regionalen Klimamodells HIRHAM5 untersucht. Es zeigt sich, dass die Unterschiede zwischen den acht Modellsimulationen mit abnehmender Anzahl der genudgten Level zunehmen. Die größten Differenzen resultieren vornehmlich aus dem zeitlichen Versatz der Entwicklung synoptischer Zyklonen. Zur Korrektur des Zeitversatzes der Zykloneninitiierung genügt es bereits, Nudging in den unterstem 250 m der Troposphäre anzuwenden. Daneben findet sich zwischen den genudgten HIRHAM5-Simulation und den in situ Messungen der gleiche positive Temperaturbias, den auch ERA-Interim besitzt. Das freie HIRHAM hingegen reproduziert das positive Ende der N-ICE2015 Temperaturverteilung gut, besitzt aber einen starken negativen Bias, der sehr wahrscheinlich aus einer Unterschätzung des Feuchtegehalts resultiert. An Beispiel einer Zyklone wird gezeigt, dass Nudging Einfluss auf die Lage der Höhentiefs besitzt, die ihrerseits die Zyklonenentwicklung am Boden beeinflussen. Im Weiteren wird mittels eines für kleine Ensemblegrößen geeigneten Varianzmaßes eine statistische Einschätzung der Wirkung des Nudgings auf die Vertikale getroffen. Es wird festgestellt, dass die Ähnlichkeit der Modellsimulationen in der unteren Troposphäre generell höher ist als darüber und in 500 hPa ein lokales Minimum besitzt.
Im letzten Teil der Analyse wird die Wechselwirkung der oberen und unteren Stratosphäre anhand zuvor betrachteter Zyklonen mit Daten der ERA-Interim Reanalyse untersucht. Lage und Ausrichtung des Polarwirbels erzeugten ab Anfang Februar 2015 eine ungewöhnlich große Meridionalkomponente des Tropopausenjets, die Zugbahnen in die zentrale Arktis begünstigte. Am Beispiel einer Zyklone wird die Übereinstimmung der synoptischen Entwicklung mit den theoretischen Annahmen über den abwärts gerichteten Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre hervorgehoben. Dabei spielt die nicht-lineare Wechselwirkung zwischen der Orographie Grönlands, einer Intrusion stratosphärischer Luft in die Troposphäre sowie einer in Richtung Arktis propagierender Rossby-Welle eine tragende Rolle. Als Indikator dieser Wechselwirkung werden horizontale Signaturen aus abwechselnd aufsteigender und absinkender Luft innerhalb der Troposphäre identifiziert.
Natural hazards can have serious societal and economic impacts. Worldwide, around one third of economic losses due to natural hazards are attributable to floods. The majority of natural hazards are triggered by weather-related extremes such as heavy precipitation, rapid snow melt, or extreme temperatures. Some of them, and in particular floods, are expected to further increase in terms of frequency and/or intensity in the coming decades due to the impacts of climate change. In this context, the European Alps areas are constantly disclosed as being particularly sensitive.
In order to enhance the resilience of societies to natural hazards, risk assessments are substantial as they can deliver comprehensive risk information to be used as a basis for effective and sustainable decision-making in natural hazards management. So far, current assessment approaches mostly focus on single societal or economic sectors – e.g. flood damage models largely concentrate on private-sector housing – and other important sectors, such as the transport infrastructure sector, are widely neglected. However, transport infrastructure considerably contributes to economic and societal welfare, e.g. by ensuring mobility of people and goods. In Austria, for example, the national railway network is essential for the European transit of passengers and freights as well as for the development of the complex Alpine topography. Moreover, a number of recent experiences show that railway infrastructure and transportation is highly vulnerable to natural hazards. As a consequence, the Austrian Federal Railways had to cope with economic losses on the scale of several million euros as a result of flooding and other alpine hazards.
The motivation of this thesis is to contribute to filling the gap of knowledge about damage to railway infrastructure caused by natural hazards by providing new risk information for actors and stakeholders involved in the risk management of railway transportation. Hence, in order to support the decision-making towards a more effective and sustainable risk management, the following two shortcomings in natural risks research are approached: i) the lack of dedicated models to estimate flood damage to railway infrastructure, and ii) the scarcity of insights into possible climate change impacts on the frequency of extreme weather events with focus on future implications for railway transportation in Austria.
With regard to flood impacts to railway infrastructure, the empirically derived damage model Railway Infrastructure Loss (RAIL) proved expedient to reliably estimate both structural flood damage at exposed track sections of the Northern Railway and resulting repair cost. The results show that the RAIL model is capable of identifying flood risk hot spots along the railway network and, thus, facilitates the targeted planning and implementation of (technical) risk reduction measures. However, the findings of this study also show that the development and validation of flood damage models for railway infrastructure is generally constrained by the continuing lack of detailed event and damage data.
In order to provide flood risk information on the large scale to support strategic flood risk management, the RAIL model was applied for the Austrian Mur River catchment using three different hydraulic scenarios as input as well as considering an increased risk aversion of the railway operator. Results indicate that the model is able to deliver comprehensive risk information also on the catchment level. It is furthermore demonstrated that the aspect of risk aversion can have marked influence on flood damage estimates for the study area and, hence, should be considered with regard to the development of risk management strategies.
Looking at the results of the investigation on future frequencies of extreme weather events jeopardizing railway infrastructure and transportation in Austria, it appears that an increase in intense rainfall events and heat waves has to be expected, whereas heavy snowfall and cold days are likely to decrease. Furthermore, results indicate that frequencies of extremes are rather sensitive to changes of the underlying thresholds. It thus emphasizes the importance to carefully define, validate, and — if needed — to adapt the thresholds that are used to detect and forecast meteorological extremes. For this, continuous and standardized documentation of damaging events and near-misses is a prerequisite.
Overall, the findings of the research presented in this thesis agree on the necessity to improve event and damage documentation procedures in order to enable the acquisition of comprehensive and reliable risk information via risk assessments and, thus, support strategic natural hazards management of railway infrastructure and transportation.
Magnetotactic bacteria possess an intracellular structure called the magnetosome chain. Magnetosome chains contain nano−particles of iron crystals enclosed by a membrane and aligned on a cytoskeletal filament. Due to the presence of the magnetosome chains, magnetotactic bacteria are able to orient and swim along the magnetic field lines. A detailed study of structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria has primary scientific interests. It can provide more insight into the formation of the cytoskeleton in bacteria. In this thesis, we develop a new framework to study the structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria.
First, we address the bending stiffness of magnetosome chains resulting from two main contributions: the magnetic interactions of magnetosome particles and the bending stiffness of the cytoskeletal filament to which the magnetosomes are anchored. Our analysis indicates that the linear configuration of magnetosome particles without the stabilisation to the cytoskeleton may close to ring like structures, with no net magnetic moment, which thus can not perform as a compass in cellular navigation. As a result we think that one of the roles of the filament is to stabilize the linear configuration against ring closure.
We then investigate the equilibrium configurations of magnetosome particles including linear chain and closed−ring structures. We notably observe that for the formation of a stable linear structure on the cytoskeletal filament, presence of a binding energy is needed. In the presence of external stimuli the stability of the magnetosome chain is due to the internal dipole−dipole interactions, the stiffness and the binding energy of the protein structure connecting the magnetosome particles to the filament. Our observations, during and after the treatment of the magnetosome chain with the external magnetic field substantiates the stabilisation of magnetosome chains to the cytoskeletal filament by proteinous linkers and the dynamic feature of these structures.
Finally, we employ our model to study the FMR spectra of magnetosome chains in a single cell of magnetotactic bacteria. We explore the effect of magnetocrystalline anisotropy in three-fold symmetry observed in FMR spectra and the peculiarity of different spectra arisen from different mutants of these bacteria.
BACKGROUND: Aggressive behavior at an early age is linked to a broad range of psychosocial problems in later life. That is why risk factors of the occurrence and the development of aggression have been examined for a long time in psychological science. The present doctoral dissertation aims to expand this research by investigating risk factors in three intrapersonal domains using the prominent social-information processing approach by Crick and Dodge (1994) as a framework model. Anger regulation was examined as an affective, theory of mind as a cognitive, and physical attractiveness as an appearance-related developmental factor of aggression in middle childhood. An additional goal of this work was to develop and validate a behavioral observation assessment of anger regulation as past research lacked in ecologically valid measures of anger regulation that are applicable for longitudinal studies.
METHODS: Three empirical studies address the aforementioned intrapersonal risk factors. In each study, data from the PIER-project were used, a three-wave-longitudinal study covering three years with a total sample size of 1,657 children in the age between 6 and 11 years (at the first measurement point). The central constructs were assessed via teacher-reports (aggression), behavioral observation (anger regulation), computer tests (theory of mind), and independent ratings (physical attractiveness). The predictive value of each proposed risk factor for the development of aggressive behavior was examined via structural equation modeling.
RESULTS AND CONCLUSION: The newly developed behavioral observation measure was found to be a reliable and valid tool to assess anger regulation in middle childhood, but limited in capturing a full range of relevant regulation strategies. That might be the reason, why maladaptive anger regulation was not found to function as a risk factor of subsequent aggressive behavior. However, children’s deficits in theory of mind and a low level in physical attractiveness significantly predicted later aggression. Problematic peer relationships were identified as underlying the link between low attractiveness and aggression. Thus, fostering children’s skills in theory of mind and their ability to call existing beliefs about the nature of more versus less attractive individuals into question may be important starting points for the prevention of aggressive behavior in middle childhood.
Natural and potentially hazardous events occur on the Earth’s surface every day. The most destructive of these processes must be monitored, because they may cause loss of lives, infrastructure, and natural resources, or have a negative effect on the environment. A variety of remote sensing technologies allow the recoding of data to detect these processes in the first place, partly based on the diagnostic landforms that they form. To perform this effectively, automatic methods are desirable.
Universal detection of natural hazards is challenging due to their differences in spatial impacts, timing and longevity of consequences, and the spatial resolution of remote-sensing data. Previous studies have reported that topographic metrics such as roughness, which can be captured from digital elevation data, can reveal landforms diagnostic of natural hazards, such as gullies, dunes, lava fields, landslides and snow avalanches, as these landforms tend to be more heterogeneous than the surrounding landscape. A single roughness metric is often limited in such detections; however, a more complex approach that exploits the spatial relation and the location of objects, such as object-based image analysis (OBIA), is desirable.
In this thesis, I propose a topographic roughness measure derived from an airborne laser scanning (ALS) digital terrain model (DTM) and discuss its performance in detecting landforms principally diagnostic of natural hazards. I further develop OBIA-based algorithms for the detection of snow avalanches using near-infrared (NIR) aerial images, and the size (changes) of mountain lakes using LANDSAT satellite images. I quantitatively test and document how the level of difficulty in detecting these very challenging landforms depends on the input data resolution, the derivatives that could be evaluated from images and DTMs, the size, shape and complexity of landforms, and the capabilities of obtaining the information in the data. I demonstrate that surface roughness is a promising metric for detecting different landforms in diverse environments, and that OBIA assists significantly in detecting parts of lakes and snow avalanches that may not be correctly assigned by applying only the thresholding of spectral properties of data and their derivatives.
The curvature-based surface roughness parameter allows the detection of gullies, dunes, lava fields and landslides with a user’s accuracy of 0.63, 0.21, 0.53, and 0.45, respectively. The OBIA algorithms for detecting lakes and snow avalanches obtained user’s accuracy of 0.98, and 0.78, respectively. Most of the analysed landforms constituted only a small part of the entire dataset, and therefore the user’s accuracy is the most appropriate performance measure that should be given in a such classification, because it tells how many automatically-extracted pixels in fact represent the object that one wants to classify, and its calculation does not take the second (background) class into account. One advantage of the proposed roughness parameter is that it allows the extraction of the heterogeneity of the surface without the need for data detrending. The OBIA approach is novel in that it allows the classification of lakes regardless of the physical state of their water, and also allows the separation of frozen lakes from glaciers that have very similar water indices used in purely optical remote sensing applications. The algorithm proposed for snow avalanches allows the detection of release zones, tracks, and deposition zones by verifying the snow heterogeneity based on a roughness metric evaluated from a water index, and by analysing the local relation of segments with their neighbouring objects. This algorithm contains few steps, which allows for the simultaneous classification of avalanches that occur on diverse mountain slopes and differ in size and shape.
This thesis contributes to natural hazard research as it provides automatic solutions to tracking six different landforms that are diagnostic of natural hazards over large regions. This is a step toward delineating areas susceptible to the processes producing these landforms and the improvement of hazard maps.
In der vorliegenden Arbeit konnten erfolgreich zwei unterschiedliche Hybridmaterialien (HM) über die Sol-Gel-Methode synthetisiert werden. Bei den HM handelt es sich um Monolithe mit einem Durchmesser von bis zu 4,5 cm. Das erste HM besteht aus Titandioxid und Bombyx mori Seide und wird als TS bezeichnet, während das zweite weniger Seide und zusätzlich Polyethylenoxid (PEO) enthält und daher als TPS abgekürzt wird. Einige der HM wurden nach der Synthese in eine wässrige Tetrachloridogoldsäure-Lösung getaucht, wodurch sich auf der Oberfläche Goldnanopartikel gebildet haben.
Die Materialien wurden mittels Elektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Ramanspektroskopie sowie Röntgenpulverdiffraktometrie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide HM aus etwa 5 nm großen, sphärischen Titandioxidnanopartikeln aufgebaut sind, die primär aus Anatas und zu einem geringen Anteil aus Brookit bestehen. Die Goldnanopartikel bei TPS_Au waren größer und polydisperser als die Goldnanopartikel auf dem TS_Au HM. Darüber hinaus sind die Goldnanopartikel im TS HM tiefer in das Material eingedrungen als beim TPS HM.
Die weiterführende Analyse der HM mittels Elementaranalyse und thermogravimetrischer Analyse ergab für TPS einen geringeren Anteil an organischen Bestandteilen im HM als für TS, obwohl für beide Synthesen die gleiche Masse an organischen Materialien eingesetzt wurde. Es wird vermutet, dass das PEO während der Synthese teilweise wieder aus dem Material herausgewaschen wird. Diese Theorie korreliert mit den Ergebnissen aus der Stickstoffsorption und der Quecksilberporosimetrie, die für das TPS HM eine höhere Oberfläche als für das TS HM anzeigten.
Die Variation einiger Syntheseparameter wie die Menge an Seide und PEO oder die Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung hatte einen großen Einfluss auf die synthetisierten HM. Während unterschiedliche Mengen an PEO die Größe des HM beeinflussten, konnte ohne Seide kein HM in einer ähnlichen Größe hergestellt werden. Die Bildung der HM wird stark von der Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung beeinflusst. Eine Veränderung führte daher nur selten zur Bildung eines homogenen HM.
Die in dieser Arbeit synthetisierten HM wurden als Photokatalysatoren für die Wasserspaltung und den Abbau von Methylenblau eingesetzt. Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Goldkonzentrationen beim TPS HM auf die Wasserstoffausbeute untersucht. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Menge von 2,5 mg Tetrachloridogoldsäure erhalten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mit dem TPS HM eine deutlich höhere Menge an Wasserstoff gewonnen werden konnte als mit dem TS HM. Die Ursachen für die schlechtere Aktivität werden in der geringeren spezifischen Oberfläche, der unterschiedlichen Porenstruktur, dem höheren Anteil an Seide und besonders in der geringeren Größe und höheren Eindringtiefe der Goldnanopartikel vermutet. Darüber hinaus konnte mit einem höheren UV-Anteil in der Lichtquelle sowie durch die Zugabe von Ethanol als Opferreagenz eine Zunahme der Wasserstoffausbeute erzielt werden.
Bei dem Methylenblauabbau wurde für beide HM zunächst nur eine Adsorption des Methylenblaus beobachtet. Nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid konnte nach 8 h bereits eine fast vollständige Oxidation des Methylenblaus unter sichtbarem Licht beobachtet werden. Die Ursache für die etwas höhere Aktivität von TPS gegenüber TS wird in der unterschiedlichen Porenstruktur und dem höheren Anteil an Seide im TS HM vermutet. Insgesamt zeigen beide HM eine gute photokatalytische Aktivität für den Abbau von Methylenblau im Vergleich zu den erhaltenen Werten aus der Literatur.
Carbohydrate-protein interactions are ubiquitous in nature. They provide the initial molecular contacts in many cell-cell processes as for example immune responses, signal transduction, egg fertilization and infection processes of pathogenic viruses and bacteria. Furthermore, bacteria themselves are infected by bacteriophages, viruses which can cause the bacterial lysis, but do not affect other hosts. The infection process of a bacteriophage involves the specific detection and binding of the bacterium, which can be based on a carbohydrate-protein interaction. The mechanism of specific detection of pathogenic bacteria can thereby be useful for the development of bacteria sensors in the food industry or for tools in diagnostics.
Bacteriophages of the Podoviridae family use tailspike proteins for the specific detection of enteritis causing bacteria as Escherichia coli, Salmonella spp. or Shigella flexneri. The tailspike protein provides the first contact by binding to the carbohydrate containing O-antigen part of lipopolysaccharide in the Gram-negative cell wall. After binding to O-antigen repeating units, the enzymatic activity of tailspike proteins leads to cleavage of the carbohydrate chains, which enables the bacteriophage to approach the bacterial surface for DNA injection. Tailspike proteins thereby exhibit a relatively low affinity to the oligosaccharide structures of O-antigen due to the necessary binding, cleavage and release cycle, compared for example to antibodies. In this work it was aimed to study the determinants that influence carbohydrate affinity in the extended TSP binding grooves. This is a prerequisite to design a high-affinity tailspike protein based bacteria sensor.
For this purpose the tailspike protein of the bacteriophage Sf6 (Sf6 TSP) was used, which specifically binds Shigella flexneri Y O-antigen with two tetrasaccharide repeating units at the intersubunits of the trimeric β-helix protein. The Sf6 TSP endorhamnosidase cleaves the O-antigen, which leads to an octasaccharide as the main product. The binding affinity of inactive Sf6 TSP towards polysaccharide was characterized by fluorescence titration experiments and surface plasmon resonance (SPR).
Moreover, cysteine mutations were introduced into the Sf6 TSP binding site for the covalent thiol-coupling of an environment-sensitive fluorescent label to obtain a sensor for Shigella flexneri Y based on TSP-O-antigen recognition. This sensor showed a more than 100 % amplitude increase of a visible light fluorescence upon the binding of a polysaccharide test solution. Improvements of the TSP sensor can be achieved by increasing the tailspike affinity towards the O-antigen. Therefore molecular dynamics simulations evaluating ligand flexibility, hydrogen bond occupancies and water network distributions were used for affinity prediction on the available cysteine mutants of Sf6 TSP. The binding affinities were experimentally analyzed by SPR. This combined computational and experimental set-up for the design of a high-affinity carbohydrate binding protein could successfully distinguish strongly increased and decreased affinities of single amino acid mutants.
A thermodynamically and structurally well characterized set of another tailspike protein HK620 TSP with high-affinity mutants was used to evaluate the influence of water molecules on binding affinity. The free enthalpy of HK620 TSP oligosaccharide complex formation thereby either derived from the replacement of a conserved water molecule or by immobilization of two water molecules upon ligand binding. Furthermore, the enthalpic and entropic contributions of water molecules in a hydrophobic binding pocket could be assigned by free energy calculations. The findings in this work can be helpful for the improvement of carbohydrate docking and carbohydrate binding protein engineering algorithms in the future.
Background and objectives: Age-related losses of lower extremity muscle strength/power and deficits in static and particularly dynamic balance are associated with impaired functional performance and the occurrence of falls. It has been shown that balance and resistance training have the potential to improve balance and muscle strength in healthy older adults. However, it is still open to debate how the effectiveness of balance and resistance training in older adults is influenced by different factors. This includes the role of trunk muscle strength, the comprehensive effects of combined balance and resistance training, and the role of exercise supervision. Therefore, the primary objectives of this doctoral thesis are to investigate the relationship between trunk muscle strength and balance performance and to examine the effects of an expert-based balance and resistance training protocol on various measures of balance and lower extremity muscle strength/power in older adults. Furthermore, the impact of supervised versus unsupervised balance and/or resistance training interventions in the elderly will be evaluated.
Methods: Healthy older adults aged 63-80 years were included in a cross-sectional study, a longitudinal study, and a meta-analysis (range group means meta-analysis: 65.3-81.1 years) registering balance and muscle strength/power performance. Different measures of balance (i.e., static/dynamic, proactive, reactive) were examined using clinical (e.g., Romberg test) and instrumented tests (e.g., 10 meter walking test on a sensor-equipped walkway). Isometric strength of the trunk muscles was assessed using instrumented trunk muscle strength apparatus and lower extremity dynamic muscle strength/power was examined using clinical tests (e.g., Chair Stand Test). Further, a combined balance and resistance training protocol was applied to examine training-induced effects on balance and muscle strength/power as well as the role of supervision in older adults.
Results: Findings revealed that measures of trunk muscle strength and static steady-state balance as well as specific measures of dynamic steady-state balance were significantly associated in the elderly (0.42 ≤ r ≤ 0.57). Combined balance and resistance training significantly improved older adults' static/dynamic steady-state (e.g., Romberg test; habitual gait speed), pro-active (e.g., Timed Up and Go Test), and reactive balance (e.g., Push and Release Test) as well as muscle strength/power (e.g., Chair Stand Test) (0.62 ≤ Cohen’s d ≤ 2.86; all p < 0.05). Supervised compared to unsupervised balance and/or resistance training was superior in enhancing older adults' balance and muscle strength/power performance regarding all observed outcome categories [longitudinal study: effects for the supervised group 0.26 ≤ d ≤ 2.86, effects for the unsupervised group 0.06 ≤ d ≤ 2.30; meta-analysis: all between-subject standardized mean differences (SMDbs) in favor of the supervised training programs 0.24-0.53]. The meta-analysis additionally showed larger effects in favor of supervised interventions when compared to completely unsupervised interventions (0.28 ≤ SMDbs ≤ 1.24). These effects in favor of the supervised programs faded when compared with studies that implemented a small amount of supervised sessions in their unsupervised interventions (−0.06 ≤ SMDbs ≤ 0.41).
Conclusions: Trunk muscle strength is associated with steady-state balance performance and may therefore be integrated in fall-preventive exercise interventions for older adults. The examined positive effects on a large number of important intrinsic fall risk factors (e.g., balance deficits, muscle weakness) imply that particularly the combination of balance and resistance training appears to be a feasible and effective exercise intervention for fall prevention. Owing to the beneficial effects of supervised compared to unsupervised interventions, supervised sessions should be integrated in fall-preventive balance and/or resistance training programs for older adults.
Der konsularische Schutz
(2017)
Anlässlich der Zunahme von Entführungen deutscher Staatsangehöriger im Ausland und des im Jahr 2009 ergangenen Urteils des Bundesverwaltungsgerichts zu diesem Thema legt die vorliegende Arbeit eine detaillierte und umfassende Analyse der Rechtsgrundlagen für die Gewährung konsularischen Schutzes durch die Auslandsvertretungen der Bundesrepublik Deutschland vor.
Das erste Kapitel beinhaltet eine detaillierte Darstellung der sich aus dem Völker-, Europa- und Verfassungsrecht sowie aus dem Konsulargesetz ergebenen staatlichen Handlungspflichten sowie möglicher damit einhergehender Individualansprüche auf die Ausübung konsularischen Schutzes im Einzelfall.
Im zweiten Kapitel werden die Voraussetzungen der Gewährung konsularischen Schutzes nach dem Konsulargesetz dargestellt. Den Schwerpunkt bildet hierbei die Bestimmung des Anwendungsbereiches des § 5 Abs. 1 Satz 1 Konsulargesetz unter Berücksichtigung des Urteils des Bundesverwaltungsgerichtes vom 28.05.2009, welches nach Auffassung der Verfasserin den Anwendungsbereich dieser Norm verkennt. Bei § 5 Abs. 1 Satz 1 Konsulargesetz handelt es sich um eine besondere sozialhilferechtliche Norm außerhalb der SGB XII, welche die konsularische Hilfe allein in wirtschaftlichen Notlagen regelt.
Das dritte Kapitel analysiert die bestehenden Regelungen über die Erstattung der im Rahmen der Gewährung konsularischen Schutzes entstandenen Kosten und erklärt deren Systematik. Ferner erfolgt ein Ausblick auf die künftigen Regelungen der Kostenerstattung nach dem Bundesgebührengesetz sowie der damit einhergehenden Rechtsverordnung.
Zum Abschluss werden die Ergebnisse anhand eines historischen Falles zusammengefasst sowie ein Gesetzesvorschlag vorgestellt, welcher die gefundenen Unklarheiten und Unstimmigkeiten im Konsulargesetz beheben kann.
We present electrical impedance measurements of amoeboid cells on microelectrodes. The model organism Dictyostelium discoideum shows under starvation conditions a transition to collective behavior when chemotactic cells collect in multicellular aggregates. We show how impedance recordings give a precise picture of the stages of aggregation by tracing the dynamics of cell-substrate adhesion. Furthermore, we present for the first time systematic single cell measurements of wild type cells and four mutant strains that differ in their substrate adhesion strength. We recorded the projected cell area by time lapse microscopy and found a correlation between quasi-periodic oscillations in the kinetics of the projected area - the cell shape oscillation - and the long-term trend in the impedance signal. Typically, amoeboid motility advances via a cycle of membrane protrusion, substrate adhesion, traction of the cell body and tail retraction. This motility cycle results in the quasi-periodic oscillations of the projected cell area and the impedance. In all cell lines measured, similar periods were observed for this cycle, despite the differences in attachment strength. We observed that cell-substrate attachment strength strongly affects the impedance in that the deviations from mean (the magnitude of fluctuations) are enhanced in cells that effectively transmit forces, generated by the cytoskeleton, to the substrate. For example, in talA- cells, which lack the actin anchoring protein talin, the fluctuations are strongly reduced. Single cell force spectroscopy and results from a detachment assay, where adhesion is measured by exposing cells to shear stress, confirm that the magnitude of impedance fluctuations is a correct measure for the strength of substrate adhesion. Finally, we also worked on the integration of cell-substrate impedance sensors into microfluidic devices. A chip-based electrical chemotaxis assay is designed which measures the speed of chemotactic cells migrating over microelectrodes along a chemical concentration gradient.
Adipositas wird mit einer Vielzahl schwerwiegender Folgeerkrankungen in Verbindung gebracht. Eine Gewichtsreduktion führt zu einer Verbesserung der metabolischen Folgen der Adipositas. Es ist bekannt, dass die Mehrzahl der adipösen Personen in den Monaten nach der Gewichtsreduktion einen Großteil des abgenommenen Gewichts wieder zunimmt. Nichtsdestotrotz existiert eine hohe Variabilität hinsichtlich des Langzeiterfolges einer Gewichtsreduktion. Der erfolgreiche Erhalt des reduzierten Körpergewichts einiger Personen führt zu der Frage nach den Faktoren, die einen Gewichtserhalt beeinflussen, mit dem Ziel einen Ansatzpunkt für mögliche Therapiestrategien zu identifizieren.
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen einer kontrollierten, randomisierten Studie mit 143 übergewichtigen Probanden untersucht, ob nach einer dreimonatigen Gewichtsreduktion eine zwölfmonatige gewichtsstabilisierende Lebensstilintervention einen Einfluss auf die Veränderungen der neuroendokrinen Regelkreisläufe und damit auf den langfristigen Gewichtserhalt über einen Zeitraum von achtzehn Monaten hat.
Hierbei wurde im Vergleich der beiden Behandlungsgruppen primär festgestellt, dass die multimodale Lebensstilintervention zu einer Gewichtstabilisierung über die Dauer dieser zwölfmonatigen Behandlungsphase führte. In der Kontrollgruppe kam es zu einer moderaten Gewichtszunahme . Dadurch war nach Beendigung der Interventionsphase der BMI der Teilnehmer in der Kontrollgruppe höher als der in der Interventionsgruppe (34,1±6,0 kg*m-2 vs. 32,4±5,7 kg*m-2; p<0,01).
Während der Nachbeobachtungszeit war die Interventionsgruppe durch eine signifikant stärkere Gewichtswiederzunahme im Vergleich zur Kontrollgruppe gekennzeichnet, so dass der BMI zwischen beiden Behandlungsgruppen bereits sechs Monate nach der Intervention keinen Unterschied mehr aufwies.
Bezüglich der hormonellen Veränderung durch die Gewichtsreduktion wurde, wie erwartet, eine Auslenkung des endokrinen Systems beobachtet. Jedoch konnte kein Unterschied der untersuchten Hormone im Vergleich der beiden Behandlungsgruppen ausfindig gemacht werden.
Im Verlauf der Gewichtsabnahme und der anschließenden Studienphasen zeigten sich tendenziell drei verschiedene Verlaufsmuster in den hormonellen Veränderungen. Nach einer zusätzlichen Adjustierung auf den jeweiligen BMI des Untersuchungszeitpunktes konnte für die TSH-Spiegel (p<0,05), die Schilddrüsenhormone (p<0,001) und für die IGF 1-Spiegel (p<0,001) eine über die Studienzeit anhaltende Veränderung festgestellt werden.
Abschließend wurde behandlungsgruppenunabhängig untersucht, ob die Hormonspiegel nach Gewichtsreduktion oder ob die relative hormonelle Veränderung während der Gewichtsreduktion prädiktiv für den Erfolg der Gewichterhaltungsphase ist. Hier fand sich für die Mehrzahl der hormonellen Parameter kein Effekt auf die Langzeitentwicklung der Gewichtszunahme. Jedoch konnte gezeigt werden, dass eine geringere Abnahme der 24h Urin-Metanephrin-Ausscheidung während der Gewichtsabnahmephase mit einem besseren Erfolg bezüglich des Gewichtserhalts über die achtzehnmonatige Studienzeit assoziiert war (standardisiertes Beta= -0,365; r2=0,133 p<0,01). Die anderen hormonellen Achsen zeigten keinen nachweislichen Effekt.