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Flexibilisierung von anaerober Vergärung und Dunkelfermentation mittels einer gradientenbasierten Überwachungsstrategie in einem Pfropfenstromreaktor
No full textAiming at a sustainable energy production, 65 to 85% of biogenic residues in Germany are collected and used for mechanical or biological transformation. A share of it is applied for biogas production through anaerobic digestion in one of the approximate 9,000 biogas plants. If methanogenesis is prevented, the microbial conversion of biomass leads to the production of short-chain carboxylic acids in a process called dark fermentation. These products can be utilized as feed for the valorization in bioproduction.
Lignocellulosic biomass is called recalcitrant due to its lignin content of 15-20% which is leading to difficulties in anaerobic digestion. Allowing high dry matter contents and loading rates, plug-flow based fermenter systems are of interest for the treatment of lignocellulosic biomass. Indeed, with radial mixing, a gradient formation can be achieved along the reactor length. The monitoring of this gradient formation has not been investigated so far. The evaluation of the efficiency of the processes is most often based mainly on the gas production, whereas the liquid phase, if monitored, is evaluated only at one randomly chosen spot.
The work here describes strategies to increase anaerobic transformation of lignocellulosic feedstock based on the multi-position monitoring of the liquid phase in a plug-flow reactor and evaluates the potential implementation of decentralized processing.
A 10L plug-flow reactor with 3 sets of on-line sensors monitoring pH, oxidoreduction potential and conductivity at the inlet, center and outlet parts was while digesting varying recalcitrant feedstock.
The on-line monitored values were interrelated to off-line analyses for short-chain carboxylic acids content and chemical oxygen demand via Pearson’s correlation analysis.
Results show that for the correlation analysis and successive forecast of the reactor performance, both single point measurements for pH, conductivity and ORP and the respective gradients are relevant to different extents. The various process conditions, e.g. dark fermentation, full anaerobic digestion and alterations in the power input are influencing the relevance of the monitoring at certain positions.
Correlation analysis led to the assessment that monitoring at the center and outlet part of the reactor had the highest correlation to the off-line measurements. Thus, the on-line values gained from these positions could be used to replace off-line analysis effort, like short-chain carboxylic acid quantification. Therefore, multi-position monitoring of the liquid phase in plug-flow reactors allows an early detection of process failures and can help to achieve an increased feedstock flexibilization towards a higher share of lignocellulosic substrate.Im Hinblick auf eine nachhaltige Energieproduktion werden 65 bis 85% der biogenen Reststoffe in Deutschland gesammelt und für die mechanische oder biologische Verwertung mobilisiert. Ein Teil davon wird in einer der ungefähr 9.000 Biogasanlagen durch anaerobe Gärung zur Biogasproduktion genutzt. Wird die Methanogenese unterbunden, führt die mikrobielle Konversion von Biomasse in einem als Dunkelfermentation bezeichneten Prozess zur Produktion kurzkettiger Carboxylsäuren. Diese Produkte können als Substrat für die Bioproduktion von Wertstoffen genutzt werden. Lignocellulosehaltige Biomasse wird aufgrund ihres Ligningehalts von 15-20 % als rekalzitrant bezeichnet, was zu Schwierigkeiten bei der anaeroben Gärung führt. Für die Behandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse sind Bioreaktoren mit Pfropfenströmung interessant, die hohe Trockensubstanzgehalte und Beladungsraten ermöglichen. Durch die radiale Durchmischung kann eine Gradientenbildung entlang der Reaktorlänge erreicht werden. Die Überwachung dieser Gradientenbildung ist bisher nicht untersucht worden. Die Bewertung der Effizienz der Prozesse basiert meist hauptsächlich auf der Gasproduktion, während die Flüssigphase, sofern sie überwacht wird, nur an einer zufällig ausgewählten Stelle bewertet wird. Die vorliegende Arbeit beschreibt Strategien zur Steigerung der anaeroben Umwandlung von lignozellulosehaltigem Ausgangsmaterial auf der Grundlage der Überwachung der Flüssigphase an mehreren Stellen in einem Pfropfenstromreaktor und bewertet die mögliche Umsetzung einer dezentralen Verarbeitung. Ein 10L Pfropfenstromreaktor mit jeweils drei On-line Sensoren zur Überwachung des pH-Wertes, des Redoxpotenzials und der Leitfähigkeit am Einlass, in der Mitte und am Auslass wurde während der Fermentation von unterschiedlichem rekalzitrantem Ausgangsmaterial verwendet. Die on-line überwachten Werte wurden über eine Pearson-Korrelationsanalyse mit Analysen des Gehalts an kurzkettigen Carbonsäuren und des chemischen Sauerstoffbedarfs in Beziehung gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass für die Korrelationsanalyse und die sukzessive Vorhersage der Reaktorleistung sowohl Einzelpunktmessungen für pH, Leitfähigkeit und Redoxpotential als auch die jeweiligen Gradienten in unterschiedlichem Maße relevant sind. Die verschiedenen Prozessbedingungen, z.B. Dunkelfermentation, vollständige anaerobe Vergärung, unterschiedlicher Leistungseintrag, beeinflussen die Relevanz der Überwachung an bestimmten Stellen. Die Korrelationsanalyse ergab, dass die Überwachung in der Mitte und am Ausgang des Reaktors die höchste Korrelation zu den off-line Messungen aufweist. Somit könnten die an diesen Positionen gewonnenen Werte dazu verwendet werden, off-line Analysen zu ersetzen, z. B. die Quantifizierung kurzkettiger Carbonsäuren. Die Multipositions-Überwachung der Flüssigphase in Pfropfenstromreaktoren ermöglicht daher eine frühzeitige Erkennung von Prozessstörungen und kann dazu beitragen, die Flexibilisierung des Einsatzmaterials hin zu einem höheren Anteil an lignozellulosehaltigem Substrat zu erreichen.BMFTR, 031B0659, FACCE SURPLUS 2: PASS-BIO – Pfropfenstromreaktor –basierte Säurefermentation für kleine BioRaffinerie
Coordinate-wise median in Byzantine federated learning
No full textFederated learning enables clients to train local models on private data while exchanging model updates only. A key step in this process is gradient aggregation. We investigate the coordinate-wise median as an aggregation rule in both centralized and decentralized federated learning under Byzantine failures. In order to lower the communication cost in the decentralized setting, we allow clients to agree approximately on model parameters, which is referred to as approximate agreement problem. We propose two aggregation algorithms for centralized coordinate-wise median aggregation: the Minimum Diameter (MD) algorithm and the Hyperbox algorithm. We prove that both satisfy the box validity condition and can tolerate up to 3 and 2 Byzantine clients, respectively. We further show that only the Hyperbox algorithm can be generalized to the decentralized setting. Through empirical evaluation, we demonstrate that the MD algorithm with coordinate-wise median aggregation is more resilient to sign-flip attacks than its mean-based counterpart, highlighting the robustness of median-based aggregation in adversarial environments.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, SPP 2378, SPP 2378: Resilience in Connected Worlds – Mastering Failures, Overload, Attacks, and the Unexpecte
Emergent collective behavior of cohesive, aligning particles
No full textCollective behavior is all around us, from flocks of birds to schools of fish. These systems are immensely complex, which makes it pertinent to study their behavior through minimal models. We introduce such a minimal model for cohesive and aligning self-propelled particles in which group cohesion is established through additive, non-reciprocal torques. These torques cause a particle’s orientation vector to turn toward its neighbor so that it aligns with the separation vector. We additionally incorporate an alignment torque, which competes with the cohesive torque in the same spatial range. By changing the strength and range of these torque interactions, we uncover six states which we distinguish via their static and dynamic properties: a disperse state, a multiple worm state, a line state, a persistent worm state, a rotary worm state, and an aster state. Their occurrence strongly depends on initial conditions and stochasticity, so the model exhibits multistabilities. A number of the states exhibit collective dynamics which are reminiscent of those seen in nature.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 462445093, Bacterial trapping near topographic surfaces under shear flo
User-centered communication of privacy information and its effect on the use of the electronic health record
No full textWith the introduction of the so-called “ePA für alle” in January 2025, an Electronic Health Record (EHR) was created for all publicly insured individuals in Germany—unless they actively opt-ed out. The EHR enables medical documents (e.g., diagnoses, medication plans, and physician let-ters) to be stored, managed, and shared digitally. Its aim is to improve networking between healthcare providers (hospitals, private practices, pharmacies, etc.) and patients. By increasing the availability of health data, the EHR is intended not only to make individual care more efficient and safer, but also—over the long term—to enhance quality and cost-effectiveness across the healthcare system. Whether these potentials can be realized depends largely on acceptance and active use by patients, who retain full control over their data. Recent studies, however, indicate that many insured individuals remain skeptical. Frequently cited reasons include privacy concerns and a lack of trust in the security of the EHR’s digital infrastructure. Communication strategies used to date are often considered inadequate because they do not resolve uncertainties or correct mis-conceptions. Against this background, the objective of this dissertation was to develop a user-centered and context-sensitive communication strategy capable of reducing concerns about privacy and data security and increasing willingness to upload health data to the EHR. Key components of this work included the development of a theory-based, behavior-oriented research approach with high external validity, the analysis of factors influencing privacy concerns and privacy behavior, and the identification of decision situations in which such concerns are particularly pronounced.
Based on the objective of this dissertation – the development of an effective communica-tion strategy to increase willingness to use the EHR – the empirical studies show that clearly pre-sented information on data protection and security can positively influence upload behavior. The strategy in the form of Privacy Fact Sheets (PFS) – short, comprehensible text elements shown di-rectly at the moment of decision – proved particularly effective in situations perceived as high-risk. In these situations, the willingness to disclose sensitive health data increased significantly.
The findings also demonstrate that perceived risk does not arise solely from the general sensitivity of health data, but is largely determined by disease-specific characteristics—namely stigma potential and time course. Consequently, not all health data are perceived as equally sensi-tive. When forming usage intention, uploading records of chronic conditions is perceived as riskier because the stored data retain longer-term relevance than for acute illnesses. By contrast, the ac-tual decision to upload is particularly inhibited by the stigma potential of the underlying disease. Both risk factors—chronicity and stigma—increase the perceived importance of the decision. Indi-viduals carefully weigh the prospective risks and benefits of uploading, actively taking privacy in-formation such as PFS into account. In situations involving less sensitive data, however, heuristic decision strategies tend to dominate and additional privacy information is largely ignored.
PFS thus take effect where they are most needed: in situations perceived by patients as particularly risky. They not only provide factual information that supports rational decision-making but also fulfill a psychological function: they convey a sense of control over one’s own data—a key need when disclosing sensitive information digitally. Perceived control reduces privacy concerns and strengthens trust in the technical infrastructure. A user-centered framing—addressing patients as active agents—was especially effective. The effectiveness of PFS therefore depends not merely on text length or informational depth, but on their alignment with the subjective decision context and users’ perceived autonomy.
From a theoretical perspective, this dissertation offers a methodological approach for achieving high external validity in empirical studies on data-intensive technologies in healthcare—for example, by using realistic decision scenarios via interactive clickdummies, concrete case vi-gnettes, and authentic medical records. Moreover, it shows how existing intention models can be meaningfully extended through the integration of peripheral contextual factors and the joint con-sideration of intention and behavior. This reveals differences in decision logic—depending on con-textual characteristics (in the case of the EHR: disease course and stigma potential)—that are not only theoretically relevant but also essential for designing effective, context-sensitive communica-tion strategies.
From a practical perspective, the dissertation provides concrete guidance for the user-centered design of privacy-sensitive digital health applications. The developed PFS demonstrate how privacy information can be presented to reduce privacy concerns effectively and increase willingness to use the EHR—particularly in high-risk situations. The combination of user-centered wording and concrete facts proved especially effective. At the same time, the results show that PFS do not have adverse effects in low-risk situations; they are neutral there, supporting their use across application contexts with varying sensitivity. Accordingly, PFS can contribute to increasing acceptance of the EHR—especially among previously skeptical users. In the long term, the EHR can thereby not only facilitate the productive use of health data and improve individual care, but also enhance system efficiency and equity in healthcare.Mit der Einführung der sogenannten „ePA für alle“ im Januar 2025 wurde eine elektroni-sche Patientenakte (ePA) für alle gesetzlich Versicherten in Deutschland angelegt – sofern kein aktiver Widerspruch erfolgte. Die ePA ermöglicht es, medizinische Dokumente (Diagnosen, Medika-tionspläne, Arztbriefe etc.) digital zu speichern, zu verwalten und zu teilen. Ziel der ePA ist es, eine bessere Vernetzung zwischen den LeistungserbringerInnen im Gesundheitswesen (Krankenhäuser, niedergelassene ÄrztInnen, Apotheken etc.) sowie den PatientInnen zu gewährleisten. Durch diese verbesserte Verfügbarkeit von Gesundheitsdaten soll nicht nur die individuelle Versorgung effizien-ter und sicherer gestaltet, sondern langfristig auch die Qualität und Wirtschaftlichkeit im Gesund-heitssystem gesteigert werden. Ob diese Potenziale tatsächlich ausgeschöpft werden, hängt maß-geblich von der Akzeptanz und aktiven Nutzung durch die PatientInnen ab, denn diese haben die vollständige Kontrolle über ihre Gesundheitsdaten. Aktuelle Studien deuten jedoch darauf hin, dass viele Versicherte der ePA skeptisch gegenüberstehen. Dabei häufig genannte Gründe sind Da-tenschutzbedenken und mangelndes Vertrauen in die Sicherheit der digitalen Infrastruktur der ePA. Bislang eingesetzte Kommunikationsmaßnahmen gelten vielfach als unzureichend, da sie be-stehende Unsicherheiten nicht ausräumen und Fehlannahmen nicht adressieren. Vor diesem Hin-tergrund war das Ziel dieser Arbeit, eine nutzerzentrierte und kontextsensitive Kommunikations-strategie zu entwickeln, die in der Lage ist, Bedenken gegenüber Datenschutz und Datensicherheit abzubauen und die Bereitschaft zu erhöhen, Gesundheitsdaten in die ePA hochzuladen. Wichtige Teile dieser Arbeit waren die Entwicklung eines theoriebasierten und verhaltensorientierten Un-tersuchungsansatzes mit hoher externer Validität, die Analyse von Einflussfaktoren auf Datenschutz-bedenken und Datenschutzverhalten, sowie die Identifikation von Entscheidungssituationen, in denen Datenschutzbedenken besonders stark ausgeprägt sind.
Ausgehend von der Zielsetzung dieser Dissertation – der Entwicklung einer wirksamen Kommunika-tionsstrategie zur Erhöhung der Nutzungsbereitschaft der ePA – zeigen die empirischen Studien, dass verständlich aufbereitete Informationen über Datenschutz und Datensicherheit einen positi-ven Einfluss auf das Hochladeverhalten in die ePA haben können. Die Kommunikationsstrategie in Form eines Privacy Fact Sheets (PFS) – kurze, verständliche Informationstexte, die genau im Mo-ment der Hochladeentscheidung angezeigt werden – erwies sich dabei gerade in Entscheidungssi-tuationen, die als besonders riskant wahrgenommen werden, als wirksam. In diesen Situationen stieg die Bereitschaft zur Preisgabe sensibler Gesundheitsdaten signifikant an.
Die Ergebnisse belegen zugleich, dass das wahrgenommene Risiko nicht allein aus der gene-rellen Sensibilität von Gesundheitsdaten resultiert, sondern maßgeblich durch krankheitsspezifi-sche Eigenschaften bestimmt wird, namentlich das Stigmatisierungspotenzial und den zeitlichen Verlauf. Folglich werden nicht alle Gesundheitsdaten per se als gleich sensibel wahrgenommen. So wird bei der Bildung der Nutzungsintention das Hochladen von Befunden chronischer Krankheiten in die ePA als riskant wahrgenommen, weil die gespeicherten Daten eine längerfristige Relevanz haben als bei akuten Erkrankungen. Die tatsächliche Entscheidung zum Hochladen von Befunden wird hingegen besonders durch das Stigmatisierungspotenzial der zugrundeliegenden Krankheiten negativ beeinflusst. Beide Risikofaktoren – Chronizität und Stigma – erhöhen die wahrgenommene Relevanz der Entscheidung. Entscheidungen werden sorgfältig abgewogen zwischen möglichen Risi-ken und Vorteilen des Hochladens, wobei datenschutzbezogene Informationen, wie PFS, aktiv mit-einbezogen werden. Hingegen in Situationen, in denen es um die Frage weniger sensibler Daten in die ePA geht, dominieren heuristische Entscheidungsstrategien und zusätzliche Datenschutzinfor-mationen werden weitgehend ignoriert.
PFS entfalten ihre Wirkung also dort, wo sie tatsächlich gebraucht werden: in Situationen, die von PatientInnen als besonders riskant wahrgenommen werden. Sie liefern nicht nur sachliche Informationen, die eine rationale Entscheidungsfindung unterstützen, sondern erfüllen auch eine psychologische Funktion: Sie vermitteln das Gefühl, Kontrolle über die eigenen Daten zu behalten – ein zentrales Bedürfnis bei der digitalen Weitergabe sensibler Informationen. Die wahrgenom-mene Kontrolle reduziert Datenschutzbedenken und stärkt Vertrauen in die technische Infrastruk-tur. Besonders ein nutzerzentriertes Framing – also die Ansprache der PatientInnen als aktiv Han-delnde – erwies sich dabei als effektiv. Die Wirksamkeit von PFS ist daher nicht allein eine Frage der Textlänge oder Informationstiefe, sondern hängt wesentlich von ihrer Einbettung in die subjek-tive Entscheidungssituation und die wahrgenommene Autonomie der NutzerInnen ab.
Aus theoretischer Perspektive bietet diese Dissertation einen methodischen Zugang, wie in empirischen Studien zu datenerhebenden Technologien im Gesundheitswesen eine hohe externe Validität erzielt werden kann – etwa durch den Einsatz realistischer Entscheidungssituationen mit-hilfe interaktiver Clickdummys, konkreter Fallvignetten und authentischer medizinischer Befunde. Darüber hinaus zeigt die Arbeit, wie sich bestehende Intentionsmodelle sinnvoll erweitern lassen: durch die Integration peripherer Kontextfaktoren und die gleichzeitige Betrachtung von Intention und Verhalten. Dadurch werden Unterschiede in der Entscheidungslogik sichtbar – etwa abhängig von kontextuellen Faktoren (bei der ePA: der zeitliche Verlauf einer Krankheit und deren Stigmati-sierungspotenzial). Diese Erkenntnisse sind nicht nur theoretisch relevant, sondern auch entschei-dend für die Entwicklung wirksamer, kontextsensitiver Kommunikationsstrategien.
Aus praktischer Perspektive liefert diese Dissertation konkrete Ansatzpunkte für die nutzer-zentrierte Gestaltung datensensibler Gesundheitsanwendungen. Die entwickelten PFS demonstrie-ren, wie Datenschutzinformationen so aufbereitet werden können, dass sie Datenschutzbedenken wirksam reduzieren und die Bereitschaft zur Nutzung der ePA erhöhen – insbesondere in Hochrisi-kosituationen. Dabei erwies sich insbesondere die Kombination aus nutzerzentrierter Formulierung und konkreten Fakten als besonders wirksam. Zugleich zeigen die Ergebnisse, dass PFS in risikoar-men Situationen keine nachteiligen Effekte entfalten – sie wirken dort neutral, was ihren unprob-lematischen Einsatz in unterschiedlich sensiblen Anwendungskontexten nahelegt. Damit können PFS einen Beitrag zur Erhöhung der Akzeptanz der ePA leisten – insbesondere bei bislang skepti-schen NutzerInnen. Langfristig kann die ePA so nicht nur die Nutzbarmachung von Gesundheitsda-ten und die Verbesserung der individuellen Versorgung erleichtern, sondern auch die Systemeffizi-enz und die Versorgungsgerechtigkeit im Gesundheitswesen fördern
Operatorplatzierung und Parallelisierung für geoverteilte Streamverarbeitung in großen und heterogenen Topologien
No full textThe rapid growth of Internet of Things (IoT) devices has produced large volumes of sensor data across geo-distributed, resource-constrained environments. Although Stream Processing Engines (SPEs) traditionally handle this data in centralized cloud infrastructures, such solutions incur high latency and communication overhead. To overcome these challenges, the osmotic computing paradigm has emerged, enabling dynamic distribution of computations across cloud, fog, and edge resources to reduce latency and communication costs. However, shifting workloads from the cloud to fog and edge nodes requires to identify the parallelization and placement of operators, which are the core computational units in SPE workloads.
While operator parallelization and placement are well-studied in centralized cloud settings, they remain largely unresolved in osmotic environments characterized by their geographical distribution, heterogeneity, and volatility. To address this, we begin by investigating the limitations of performance monitoring workloads in centralized stream processing. Our findings reveal that funneling computations to centralized nodes leads to node overload and excessive latency, emphasizing the need for effective distribution of SPE tasks across the edge–cloud continuum.
Building on these insights, we tackle two unresolved challenges in osmotic computing–based stream processing. First, we propose NEMO, a resource-aware approach that efficiently parallelizes and places Decomposable Aggregation Functions (DAFs), across fog and edge resources. Second, we introduce NOVA, a novel approach for optimizing parallelization and placement of streaming join operators, which are essential for combining multiple data streams. Unlike traditional methods for the NP-hard operator placement problem that operate over a discrete set of nodes, NEMO and NOVA map the topology into a Euclidean space. Through iterative approximation, this transformation enables them to identify near-optimal placements in linear time and to re-optimize in near-constant time.
Experimental evaluations show that NEMO lowers latency by up to 6× and reduces communication costs by up to 15× through dynamic, hierarchical aggregation trees. Its replication and placement strategy balances workloads, preventing node overload while maximizing resource efficiency. Meanwhile, NOVA achieves up to 39× lower latency, 4.5× higher throughput and prevents node overload compared to existing methods by decomposing large joins into smaller sub-joins strategically distributed across the edge–cloud continuum. By leveraging data distribution patterns (e.g., region-based keys), NOVA further minimizes data transfers and resource overhead.
Collectively, these contributions advance osmotic computing by (1) providing an in-depth analysis of performance monitoring requirements for SPEs in IoT-scale deployments, (2) providing robust mechanisms for efficient aggregation of DAFs, and (3) delivering a comprehensive solution for distributed streaming joins. Together, they establish a foundation for scalable, efficient, and resource-aware stream processing in large-scale, heterogeneous, and geo-distributed environments.Die rasante Zunahme von Internet of Things (IoT)-Geräten hat große Mengen an Sensordaten in geografisch verteilten, ressourcenbeschränkten Umgebungen erzeugt. Obwohl Stream Processing Engines (SPEs) diese Daten traditionell in zentralisierten Cloud-Infrastrukturen verarbeiten, sind solche Lösungen mit hohen Latenzzeiten und Kommunikations-Overhead verbunden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde das Paradigma des osmotischen Computings entwickelt, das eine dynamische Verteilung von Berechnungen über Cloud-, Fog- und Edge-Ressourcen ermöglicht, um Latenzzeiten und Kommunikationskosten zu reduzieren. Die Verlagerung von Workloads von der Cloud auf Fog- und Edge-Knoten erfordert jedoch die Parallelisierung und Platzierung von Operatoren, die die zentralen Recheneinheiten in SPE Workloads sind.
Während die Parallelisierung und Platzierung von Operatoren in zentralisierten Cloud-Umgebungen gut erforscht sind, bleiben sie in osmotischen Umgebungen, die durch ihre geografische Verteilung, Heterogenität und Volatilität gekennzeichnet sind, weitgehend ungelöst. Um dieses Problem anzugehen, untersuchen wir zunächst die Grenzen der Leistungsüberwachung von Arbeitslasten in der zentralisierten Stream-Verarbeitung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bündelung von Berechnungen auf zentralen Knoten zu einer Überlastung der Knoten und übermäßigen Latenzzeiten führt, was die Notwendigkeit einer effektiven Verteilung von Aufgaben über das Edge-Cloud-Kontinuum unterstreicht.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen gehen wir zwei ungelöste Herausforderungen bei der auf Osmotic Computing basierenden Stromverarbeitung an. Erstens schlagen wir NEMO vor, ein ressourcenbewusster Ansatz, der effizient parallelisiert und Decomposable Aggregation Functions (DAFs) über Fog- und Edge-Ressourcen platziert. Zweitens stellen wir NOVA vor, einen neuartigen Ansatz zur Optimierung der Parallelisierung und Platzierung von Streaming-Join-Operatoren, die für die Kombination mehrerer Datenströme unerlässlich sind. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden für das NP-schwere Operator-Platzierungsproblem, die über eine diskrete Menge von Knoten arbeiten, bilden NEMO und NOVA die Topologie in einem euklidischen Raum ab. Durch iterative Approximation ermöglicht diese Transformation die Identifizierung nahezu optimaler Platzierungen in linearer Zeit und eine erneute Optimierung in nahezu konstanter Zeit.
Experimentelle Auswertungen zeigen, dass NEMO durch dynamische, hierarchische Aggregationsbäume die Latenzzeit um bis zu 6× und die Kommunikationskosten um bis zu 15× senkt. Seine Replikations- und Platzierungsstrategie gleicht die Arbeitslasten aus, verhindert eine Überlastung der Knoten und maximiert gleichzeitig die Ressourceneffizienz. In der Zwischenzeit erreicht NOVA eine bis zu 39× geringere Latenz, einen 4,5× höheren Durchsatz und verhindert eine Überlastung der Knoten im Vergleich zu bestehenden Methoden, indem große Joins in kleinere Sub-Joins zerlegt werden, die strategisch über das Edge-Cloud-Kontinuum verteilt sind. Durch die Nutzung von Datenverteilungsmustern (z. B. regionenbasierte Schlüssel) minimiert NOVA die Datenübertragungen und den Ressourcen-Overhead weiter.
Gemeinsam bringen diese Beiträge das osmotische Computing voran, indem sie (1) eine eingehende Analyse der Leistungsüberwachungsanforderungen für SPEs in IoT-Einsätzen liefern, (2) robuste Mechanismen für die effiziente Aggregation von DAFs bereitstellen und (3) eine umfassende Lösung für verteilte Streaming-Verbindungen liefern. Zusammen bilden sie die Grundlage für eine skalierbare, effiziente und ressourcenschonende Stream-Verarbeitung in großen, heterogenen und geografisch verteilten Umgebungen.BMFTR, Berlin Institute for the Foundations of Learning and Data - BIFOL
Propagation of photoinduced electric field changes through phytochrome and their impact on conformational transitions
No full textIn phytochromes, photoisomerization of the chromophore and subsequent structural relaxations lead to the functionally essential secondary structure transition of the tongue, a phytochrome-specific protein segment. The coupling mechanism between chromophore and protein structural changes is yet not understood, but electric field changes are discussed to play an important role. In this work, electric field changes in the chromophore binding pocket (CBP) are confirmed to propagate over long distances through the protein and alter the electric field in the tongue region. An experimental-theoretical approach to analyze local electric fields using Stark reporters has been further developed. These are nitrile groups introduced site-specifically into the protein via noncanonical amino acids. The functional integrity of the variants is checked by crystallography and various spectroscopies. For the first time, functionally intact variants with substitutions in the tongue are generated. Based on frequency shifts and relative intensities of the nitrile stretching modes, hydrogen-bonding and noncovalent electric field contributions are separated. The field changes originating in the CBP are transduced to the tongue along a pathway via Phe192. Given a proper direction of the net electric field vector in the tongue region, the magnitude of the field may be sufficient to destabilize the tongue structure.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 221545957, SFB 1078: Proteinfunktion durch ProtonierungsdynamikDFG, 390540038, EXC 2008: Unifying Systems in Catalysis "UniSysCat
Guillermo Pineda Villavicencio: “Polytopes and Graphs”
No full textA polytope is the convex hull of finitely many points in a Euclidean space . From this elementary definition the relevance of that concept in modern mathematics is all but obvious. In fact, the Platonic solids and their variations have been studied since antiquity. However, the deeper mathematical content remained dormant until the first modern monograph on the subject, by Branko Grünbaum, was published in 1967...TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Diffusion coefficients of aqueous alkali-halide solutions
No full textDiffusion in electrolyte solutions is critical for applications such as seawater desalination, wastewater treatment and energy storage technologies. However, reliable Fick diffusion coefficient data remain scarce. In this work, the self- and Fick diffusion coefficients of 19 aqueous alkali-halide solutions (LiCl, LiBr, LiI, NaF, NaCl, NaBr, NaI, KF, KCl, KBr, KI, RbF, RbCl, RbBr, RbI, CsF, CsCl, CsBr, CsI) are sampled with molecular simulation techniques at ambient conditions of temperature and pressure for salt concentrations ranging from c = 0.5 to 5 mol L–1. For seven solutions, where experimental Fick diffusion coefficient data were not available (LiI, RbF, RbBr, RbI, CsF, CsBr, CsI), digital holographic interferometry measurements are presented, covering a total of 29 state points. Molecular dynamics simulation accurately predicts the Fick diffusion coefficient when a consistent methodology is applied, combining the sampled Maxwell-Stefan diffusion coefficient with the thermodynamic factor derived from the same force field combination.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
The role of molar charge ratio
No full textBy combination of oppositely charged polyelectrolytes, one can form interpolyelectrolyte complexes (IPECs) that may serve, for example, as water-based delivery systems. Such macromolecular IPECs may exhibit broad size and shape distributions; thus, quantitative structural analysis is often prone to misinterpretation. By means of small-angle neutron scattering (SANS), we present a systematic analysis of the internal macromolecular structures of interpolyelectrolyte complexes (IPECs) in a quantitative fashion. As a model system, we study polyelectrolyte mixtures of anionic biosourced sodium carboxymethyl cellulose (NaCMC) and cationic synthetic poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC). By integrating model-independent and model-dependent approaches, we reveal a morphological transformation from larger globular aggregates to smaller, multimodal lumpy structures with increasing molar charge ratio, i.e., upon approaching charge equimolarity. At the same time, the aggregates undergo significant compaction, driven by local structuring and a reduction in the characteristic correlation length of charge distribution, and they become increasingly anisometric. Additionally, the complexes retain a substantial amount of solvation water, which is gradually released as the charge ratio approaches equimolarity.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Prädiktive Biomarker für die Anti-Integrin-α4β7-Therapie bei entzündlichen Darmerkrankungen: Identifizierung proliferierender CD4+-T-Zellen mittels multimodaler Blutprofilierung
No full textInflammatory Bowel Disease (IBD) is characterized by the persistent trafficking of leukocytes into intestinal tissue. The integrin α4β7 is one of the proteins involved in this process. Its interaction with MAdCAM-1, a protein expressed in the endothelial cells, allows the immune cells to infiltrate the intestine. The anti-integrin α4β7 antibody, vedolizumab, targets the trafficking of immune cells. However, despite its efficacy, a significant number of patients do not respond to this therapy, highlighting an urgent need for biomarkers to predict treatment outcomes. This study aimed to characterize the circulating immune landscape in IBD, define the effects of vedolizumab, and identify pre-treatment predictors of therapeutic non-response to this drug.
To achieve this aim, we prospectively sampled two cohorts of patients with IBD receiving the anti-integrin α4β7 treatment. We employed multimodal profiling using mass cytometry, single-cell RNA sequencing, single-cell T cell receptor sequencing (TCR-seq), serum proteomics, and multiparametric flow cytometry to comprehensively assess the immune cellular composition of the peripheral blood of IBD patients and healthy donors. We also evaluated the impact of vedolizumab treatment on the circulating immune landscape and its potential associations with treatment response, integrating these data to build a predictive model for therapy response.
Compared to healthy donors, IBD patients exhibited a "recruitment signature" with a significant reduction in circulating immune cells, particularly α4β7-expressing T cells. Vedolizumab treatment reversed this signature by sequestering α4β7+ myeloid and lymphoid cells in the circulation, which was accompanied by an increase in serum pro-inflammatory proteins and elevated T cell receptor (TCR) diversity in memory CD4+ T cells. Through integration of multimodal parameters and machine learning, we identified a pre-treatment signature of elevated circulating, activated (HLA-DR+, CD38+) and proliferative (Ki-67+) CD4+ memory T cells as a robust predictor of non-response to vedolizumab. These cells expressed a pathogenic Th1/Th17 profile and multiple alternative gut-homing receptors, suggesting they can bypass the α4β7 blockade to infiltrate the intestine.
This study identifies the pre-treatment frequency of Ki-67+ memory CD4+ T cells in peripheral blood as a promising biomarker for predicting non-response to vedolizumab in IBD patients. The findings suggest that non-responders may have a population of pathogenic T cells capable of using alternative homing pathways. Our work underscores the value of using accessible peripheral blood samples and multi-parameter analysis to advance personalized medicine in IBD management.Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED) sind durch die anhaltende Migration von Leukozyten in das Darmgewebe gekennzeichnet. Das Integrin α4β7 ist eines der an diesem Prozess beteiligten Proteine. Seine Interaktion mit MADCAM-1, einem auf Endothelzellen exprimierten Protein, ermöglicht es den Immunzellen, den Darm zu infiltrieren. Der Anti-Integrin-α4β7-Antikörper Vedolizumab hemmt die Migration von Immunzellen. Trotz seiner Wirksamkeit spricht jedoch eine signifikante Anzahl von Patienten nicht auf diese Therapie an, was den dringenden Bedarf an Biomarkern zur Vorhersage des Behandlungserfolgs unterstreicht. Ziel dieser Studie war es, die zirkulierende Immunlandschaft bei CED zu charakterisieren, die Effekte von Vedolizumab zu definieren und prädiktive Faktoren für ein therapeutisches Nichtansprechen auf dieses Medikament vor Behandlungsbeginn zu identifizieren.
Um dieses Ziel zu erreichen, untersuchten wir prospektiv zwei Kohorten von CED-Patienten, die eine Behandlung mit dem Anti-Integrin α4β7 erhielten. Wir verwendeten ein multimodales Profiling mittels Massenzytometrie, Einzelzell-RNA-Sequenzierung T-Zell-Rezeptor-Sequenzierung (TCR-seq), Serum-Proteomik und multiparametrischer Durchflusszytometrie, um die zelluläre Immunzusammensetzung des peripheren Blutes von CED-Patienten und gesunden Spendern umfassend zu bewerten. Wir evaluierten zudem den Einfluss der Vedolizumab-Behandlung auf die zirkulierende Immunlandschaft und mögliche Assoziationen mit dem Therapieansprechen und integrierten diese Daten, um ein prädiktives Modell für das Ansprechen auf die Therapie zu erstellen.
Im Vergleich zu gesunden Spendern zeigten CED-Patienten eine „Rekrutierungssignatur“ mit einer signifikanten Reduktion zirkulierender Immunzellen, insbesondere α4β7-exprimierender T-Zellen. Die Behandlung mit Vedolizumab kehrte diese Signatur um, indem sie α4β7+ myeloische und lymphatische Zellen im Blutkreislauf zurückhielt, was von einem Anstieg pro-inflammatorischer Serumproteine und einer erhöhten Diversität des T-Zell-Rezeptors (TCR) in CD4+-Gedächtnis-T-Zellen begleitet wurde Durch die Integration multimodaler Parameter und den Einsatz maschinellen Lernens konnten wir eine Signatur vor Behandlungsbeginn – bestehend aus erhöhten zirkulierenden, aktivierten (HLA-DR+, CD38+) und proliferativen (Ki-67+) CD4+-Gedächtnis-T-Zellen – als robusten Prädiktor für ein Nichtansprechen auf Vedolizumab identifizieren. Diese Zellen exprimierten ein pathogenes Th1/Th17-Profil und multiple alternative Darm-Homing-Rezeptoren, was darauf hindeutet, dass sie die α4β7-Blockade umgehen und in den Darm infiltrieren können.
Diese Studie identifiziert die Frequenz von Ki-67+-CD4+-Gedächtnis-T-Zellen im peripheren Blut vor Behandlungsbeginn als einen vielversprechenden Biomarker zur Vorhersage des Nichtansprechens auf Vedolizumab bei CED-Patienten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nicht-Responder möglicherweise über eine Population pathogener T-Zellen verfügen, die in der Lage ist, alternative Homing-Wege zu nutzen. Unsere Arbeit unterstreicht den Wert der Verwendung zugänglicher peripherer Blutproben und multiparametrischer Analysen, um die personalisierte Medizin im Management von CED voranzutreiben