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Understanding c-di-GMP Regulation and Dynamics in Escherichia coli
No full textTo adapt to environmental changes, bacteria rapidly transition between motile and sessile lifestyles, which are favoured under exponential growth and stationary phase, respectively. As a central regulator of this lifestyle switching, the second messenger c-di-GMP is dynamically modulated in response to growth phase transitions and flagellar activity. In Escherichia coli, this switch is globally controlled by the opposing activities of DgcE (synthase) and PdeH (hydrolase), whose expression is inversely regulated by the the stress response sigma factor (RpoS) and flagellar sigma factor (FliA), respectively.
RdcA and its accessory protein RdcB act as post-translational activators of DgcE. This thesis establishes that RdcA integrates both metabolic states (GTP levels) during growth phase transitions and flagellar gene regulation (from FliA) into c-di-GMP production. Using fluorescence microscopy to monitor protein localisation and Förster resonance energy transfer (FRET) to quantify protein-protein interactions, we demonstrate that RdcA exhibits enhanced membrane localisation and interaction with DgcE at stationary phase. We propose that RdcA detects GTP depletion during exponential-to-stationary phase transitions and activates DgcE. This post-translational control enables rapid responses, complementing the slower transcriptional control mediated by the RpoS-FliA sigma factor competition, which controls DgcE and PdeH expression levels.
While RdcA activates c-di-GMP production via DgcE, its own transcription is controlled by FliA, thereby bridging the antagonistic FliA-PdeH (motility) and RpoS-DgcE (sessility) regulatory programmes. Using a combination of FRET-based c-di-GMP biosensors and a FliA-dependent transcriptional reporter, we characterise these dynamics over batch culture growth phase transitions and single-cell fluctuations in a microfluidic device. Our findings suggest two key functions of this circuit: (1) it buffers against stochastic FliA fluctuations by balancing the opposing activities of RdcA and PdeH, and (2) it generates an ultrasensitive response due to the saturable stoichiometry of the RdcA-DgcE complex. As a result, the system sharpens c-di-GMP responsiveness to growth phase transitions and drives single-cell fluctuations at steady state, thereby supporting phenotypic heterogeneity while preserving robust commitment to the motile or sessile states.Um sich an Umweltveränderungen anzupassen, wechseln Bakterien schnell zwischen einer motilen und einer sesshaften Lebensweise, die bevorzugt während der exponentiellen Wachstumsphase bzw. in der stationären Phase auftreten. Als zentraler Regulator dieses Lebensstilwechsels wird der sekundäre Botenstoff c-di-GMP dynamisch in Abhängigkeit von den Wachstumsphasen und der Flagellenaktivität moduliert. In Escherichia coli wird dieser Wechsel global durch die entgegengesetzten Aktivitäten von DgcE (Synthase) und PdeH (Hydrolase) gesteuert, deren Expression durch den Stressantwort Sigma-Faktor (RpoS) und den Flagellen Sigma-Faktor (FliA) invers reguliert wird.
RdcA und sein Begleitprotein RdcB wirken als posttranslationale Aktivatoren von DgcE. Diese Arbeit zeigt, dass RdcA sowohl den metabolischen Zustand (GTP-Spiegel) während der Wachstumsphasenübergänge als auch die FliA-abhängige Regulation von Flagellen in die c-di-GMP-Produktion integriert. Mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie zur Beobachtung der Proteinlokalisierung und Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zur Quantifizierung von Protein-Protein-Interaktionen konnten wir nachweisen, dass RdcA in der stationären Phase eine verstärkte Membranlokalisierung sowie eine verstärkte Interaktion mit DgcE aufweist. Wir schlagen vor, dass RdcA den GTP-Abbau während des Übergangs von der exponentiellen in die stationäre Phase detektiert und DgcE aktiviert. Diese posttranslationale Regulation ermöglicht schnelle Reaktionen und ergänzt die langsamere transkriptionelle Kontrolle durch den Wettbewerb zwischen RpoS und FliA, der die Expression von DgcE und PdeH reguliert.
Während RdcA die c-di-GMP-Produktion über DgcE aktiviert, wird seine eigene Transkription von FliA reguliert, was im Endeffekt die antagonistischen Regulationsprogramme FliA-PdeH (Motilität) und RpoS-DgcE (Sessilität) miteinander verbindet. Mithilfe einer Kombination aus FRET-basierten c-di-GMP-Biosensoren und einem FliA-abhängigen Transkriptionsreporter charakterisieren wir diese Dynamik während der Wachstumsphasenübergänge in Batchkulturen sowie auf Einzelzellebene in einem mikrofluidischen System. Unsere Ergebnisse deuten auf zwei zentrale Funktionen dieses Regulationskreises hin: (1) Er puffert gegen stochastische Schwankungen von FliA, indem er die gegensätzlichen Aktivitäten von RdcA und PdeH ausgleicht, und (2) er erzeugt eine ultrasensitive Antwort aufgrund der sättigbaren Stöchiometrie des RdcA-DgcE-Komplexes. Dadurch schärft das System die c-di-GMP-Reaktionsfähigkeit auf Wachstumsphasenübergänge und treibt Einzelzellfluktuationen im Gleichgewichtszustand an, wodurch die phänotypische Heterogenität unterstützt und gleichzeitig die robuste Festlegung auf den motilen oder sessilen Zustand erhalten bleibt
Regulation of flagellation patterns by FlhF and FlhG: analysis of interaction networks in Shewanella putrefaciens and Bacillus subtilis
No full textFlagella are organelles of locomotion that allow bacteria to respond to changes in the environment by moving toward an attractant or away from repellents. The flagellum is a complex machinery with a conserved architecture. Intracellularly, the basal body consists of the stator and rotor complex, which generates the rotation/torque, and a type 3 flagellar secretion system, which is required for the export of extracellular proteins. The peptidoglycan layer and the outer membrane are spanned by the rod, which transmits the rotation to the extracellular hook. Finally, the hook transmits the rotation to the filament and the cell moves. Unlike the architecture, the distribution pattern of flagella is species-specific. Localization can be restricted to the pole or lateral sides of the cell, and the number can vary from one to nearly 100. These patterns must undergo several regulatory mechanisms to be maintained through the generations. In several species, the proteins FlhF and FlhG have been implicated in the regulation of the flagellar pattern. FlhF belongs to the group of SRP-GTPases and forms a GTP-dependent homodimer with the conserved NG domain. The other protein, FlhG, is a MinD-like ATPase and is located downstream of the flhf gene. When ATP is bound, the proteins form a homodimer and are able to bind to the membrane. FlhG has an additional activator helix at its N-terminus, which can bind FlhF and stimulate GTPase activity. In polar flagellated bacteria such as Shewanella putrefaciens, FlhF is required for correct localization of the flagellum, whereas FlhG regulates the number of flagella. In the peritrichously flagellated bacterium Bacillus subtilis, both proteins are required for proper distribution: FlhG maintains a minimum distance between the flagella and FlhF keeps the distribution in an organized pattern and away from the poles. However, the mechanism behind this regulation is not fully understood.
This work presents a biochemical and structural characterization of the SRP-GTPase FlhF of the monotrichiously flagellated bacterium S. putrefaciens. The structure of the GDP-bound form of the NG-domain compared to the GTP-bound form provides insight into structural conformational changes upon nucleotide binding and may explain the different targets compared to the other SRP-GTPases FtsY and Ffh. The structure of the previously uncharacterized B-domain of FlhF was also solved and shows an interaction with the C-ring protein FliG. This interaction indicates that FlhF is involved in the hierarchical assembly of the MS- and C-rings of the flagellar basal body.
The simultaneous interaction of FliG and the landmark protein HubP with FlhF could suggest a "diffusion and capture" mechanism by which the first flagellar protein FliF is captured by FlhF-bound FliG, which is recruited to the pole by HubP. This mechanism restricts the assembly of the flagellum to the cell pole and prevents premature C-ring assembly. In the peritrichous flagellated B. subtilis, the regulation is different. There, the cell cycle regulator GpsB was identified as a novel interaction partner of FlhG that phenocopies the deletion of flhG and couples cell wall elongation with flagella biosynthesis.Flagellen stellen Fortbewegungsorgane dar, welche es Bakterien ermöglichen, auf Veränderungen in der Umwelt zu reagieren. Dies erfolgt durch eine gerichtete Bewegung auf einen Anziehungspunkt zu oder durch eine Bewegung von abstoßenden Faktoren weg. Das Flagellum stellt einen komplexen Mechanismus mit einer konservierten Architektur dar. Intrazellulär besteht der Basalkörper aus dem Stator- und Rotorkomplex, der die Rotation bzw. das Drehmoment erzeugt, sowie einem flagellaren Typ 3 Sekretionssystems, das für den Export von extrazellulären Proteinen erforderlich ist. Die Peptidoglykanschicht und die äußere Membran werden vom Stab überspannt, der die Rotation auf den extrazellulären Haken überträgt. Der Haken überträgt die Rotation schließlich auf das Filament, wodurch die Zelle in Bewegung gesetzt wird. Im Gegensatz zur Architektur ist das Verteilungsmuster der Flagellen artspezifisch. Es kann auf die Pole oder die lateralen Seiten der Zelle beschränkt sein, wobei die Anzahl von einer bis zu fast 100 variieren kann. Um diese Muster über die Generationen hinweg aufrechtzuerhalten, müssen mehrere Regulationsmechanismen greifen. Bei mehreren Arten sind die Proteine FlhF und FlhG an der Regulierung der Flagellenmuster beteiligt. FlhF gehört zur Gruppe der SRP-GTPasen und bildet ein GTP-abhängiges Homodimer mit der konservierten NG-Domäne. Das andere Protein, FlhG, ist eine MinD-ähnliche ATPase und befindet sich stromabwärts des flhf-Gens. Bei Bindung von ATP bilden die Proteine ein Homodimer und sind in der Lage, an die Membran zu binden. Das FlhG weist eine zusätzliche Aktivator-Helix an seinem N-Terminus auf, welche die Bindung an FlhF und die Stimulation der GTPase-Aktivität ermöglicht. In monotrichen Bakterien wie Shewanella putrefaciens ist FlhF für die korrekte Lokalisierung des Flagellums erforderlich, während FlhG die Anzahl der Flagellen reguliert. Bei dem peritrich geflaggten Bakterium Bacillus subtilis sind beide Proteine für die korrekte Verteilung erforderlich. Das Protein FlhG sorgt für einen Mindestabstand zwischen den Geißeln, während das Protein FlhF die Verteilung in einem geordneten Muster und weg von den Polen gewährleistet. Der zugrundeliegende Mechanismus ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt.
In der vorliegenden Arbeit wird eine biochemische und strukturelle Charakterisierung der SRP-GTPase FlhF aus S. putrefaciens präsentiert. Die Struktur der GDP-gebundenen Form der NG-Domäne im Vergleich zur GTP-gebundenen Form erlaubt Rückschlüsse auf strukturelle Konformationsänderungen bei Nukleotidbindung und könnte die unterschiedlichen Ziele im Vergleich zu den anderen SRP-GTPasen FtsY und Ffh erklären. Die Struktur der bisher uncharakterisierten B-Domäne von FlhF wurde ebenfalls gelöst und zeigt eine Interaktion mit dem C-Ring-Protein FliG. Diese Interaktion lässt den Schluss zu, dass FlhF am hierarchischen Aufbau der MS- und C-Ringe des Geißelbasalkörpers beteiligt ist. Die simultane Interaktion von FliG und dem Landmarkenprotein HubP mit FlhF könnte auf einen „Diffusions- und Einfang“-Mechanismus hindeuten, bei dem das erste flagellare Protein FliF von FlhF-gebundenem FliG eingefangen wird, welche von HubP an den Pol rekrutiert werden. In B. subtilis zeigt sich eine andere Regulation. Dort wurde der Zellzyklusregulator GpsB als neuartiger Interaktionspartner von FlhG identifiziert. GpsB phänokopiert die Deletion von flhG und koppelt die Zellwandsynthese während des Zellwachtums mit der Biosynthese der Flagellen
Prevalence of Antidepressant Prescription in Adolescents Newly Diagnosed with Depression in Germany
No full textBackground: Depression is themost commonmental illness in theworld, found in nearly three
in ten adolescents globally. This study aims to evaluate the prevalence of antidepressant prescriptions
and the types of antidepressant therapy administered among adolescents diagnosed with depression in
Germany. Methods: This retrospective cohort study, based on data provided by 30 child and adolescent
psychiatrists, included adolescents aged 13–17 years with an initial diagnosis of depression between 2010
and 2022 (index date) documented in the IQVIATM Disease Analyzer database. Kaplan–Meier curves
were used to investigate the one-year cumulative incidence of antidepressant prescriptions stratified
by age, sex, and depression severity. Multivariable Cox regression analyses were used to assess the
association between age, sex, depression severity, co-diagnoses, and antidepressant drug prescription.
Results: A total of 6338 adolescents (mean age: 16 years, 67% female, 59% with moderate depression)
were available. The cumulative incidence of antidepressant prescriptions was 61% and increased with
age from 13 years old to 17 years old. Fluoxetine was the most prescribed drug, followed by Sertraline,
Escitalopram, Serotonin and Norepinephrine reuptake inhibitors, herbal medications, andMirtazapine.
Obsessive–compulsive disorder and eating disorders were found to be significantly associated with
antidepressant prescriptions within the spectrum of co-diagnosed conditions. Conclusions: Higher age,
depression severity, and a co-diagnosis of an obsessive–compulsive disorder or eating disorder were
significantly positively associated with antidepressant prescriptions in adolescents. Fluoxetine was the
most frequently prescribed drug for depression.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Auf dem Weg zur Kartierung großflächiger Deletionen in synthetischen Hefechromosomen mit hohem Durchsatz
No full textSynthetic genomics is an emerging field of study and a sub-discipline of synthetic biology. The construction of the first synthetic prokaryotic genome, that of Mycoplasma myocoides in 2010, has inspired the creation of many new synthetic genomes. Recently, the synthesis of all seventeen synthetic Saccharomyces cerevisiae chromosomes has been completed as part of the Sc2.0 project. Particular alterations have been made to the synthetic sequence. One such modification involves the elimination of redundant DNA sequences. The reduction of genomes has demonstrated the potential for engineering a simplified organism, thereby reducing the expenditure of energy on non-essential genes. A notable distinction in the Sc2.0 sequence from the wild-type genome involves the integration of symmetrical loxP (loxPsym) sites, positioned 3 base pairs downstream of all non-essential genes. These sites function as recognition sequences for the Cre recombinase, which catalyzes inversions, duplications, translocations or deletions between two loxPsym sites in the synthetic chromosome (referred to as SCRaMbLE). It has been demonstrated in prior studies that the Cre recombinase can be utilized to compact a synthetic yeast chromosome. However, there are still bottlenecks in the system. In addition to its role in gene deletion, the Cre recombinase can induce inversions, duplications and translocations, thereby generating complex restructured genomes. In this thesis, I expored a comprehensive manner for integrating deletions in synthetic yeast chromosomes in a top-down manner as well as a novel screening method based on quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) technology.
In order to increase the amount of structural variations than can be detected, we developed a set of primers called loxTags. qTagGer, was developed to design genotyping primers that amplify the area around each loxPsym site. These tags facilitate the identification of deletion, inversions and translocations. LoxTags were validated by applying an optogenetically controlled Cre recombinase (L-SCRaMbLE) to a synthetic yeast chromosome. Then, a semi-automated pipeline was adapted to dispense miniaturized qPCR reactions in high-throughput. Strains showing high amounts of recombination using qPCR were corroborated using Nanopore sequencing. The findings obtained through qPCR show all different forms of structural variations, and an increase in structural variations for ring chromosomes. Following an initial presentation on the functionality of loxTags in the context of genotyping, the thesis proposes an expansion of the available tools through the application of the same design principles for screening of cloned plasmid libraries. Identification of modular golden gate libraries is achieved by amplifying the area around each cloning site, allowing for high-throughput screening of colonies.
In Chapter III, a pipeline for the reduction of synthetic yeast chromosomes is presented. As an alterative to SCRaMbLE-based genome compaction, in the pipeline, a URA3 gene is removed through an endonuclease. First, homologous recombination (HR) is used to insert the marker into a synthetic yeast chromosome using the loxPsym sites as sequences for homology. Specificity of the insertion was investigated and confirmed through transposon-based sequencing techniques. Next, the marker is enzymatically removed. For this, we perform a systematic comparison of the Cre recombinase, Cas9, Cas3 and I-SceI. Through the comparison, I confirm the use of Cas9 as the most effective way for removing URA3 without inducing additional structural variations. Furthermore, we show single iterations of genome reductions creates deletions of over 10kbp, depending on variables such as the location of the integration of the marker.
In this thesis, we propose a series of tools designed to expedite the identification of non-essential DNA. The development of an alternative to classic transposon insertions, which specifically targets synthetic chromosomes and knocks out the full region between two loxPsym sites, was achieved through the introduction and subsequent removal of the URA3 gene. The implementation of a qPCR pipeline that utilizes loxTags facilitates the straightforward identification of mutation sizes. The qPCR pipeline presented in this thesis can be applied for pre-screening or verification of any type high-throughput DNA recombination or cloning approach. The genome reduction pipeline can be used to create combinatorial deletions in semi-high throughput. Screening of many candidates can lead to the identification and better understanding on non-essential gene space in synthetic S. cerevisiae chromosomes.Die synthetische Genomik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet und eine Teildisziplin der synthetischen Biologie. Die Konstruktion des ersten synthetischen prokaryotischen Genoms, des Genoms von Mycoplasma myocoides im Jahr 2010, hat die Schaffung vieler neuer synthetischer Genome inspiriert. Kürzlich wurde die Synthese aller siebzehn synthetischen Chromosomen von Saccharomyces cerevisiae im Rahmen des Sc2.0-Projekts abgeschlossen. An der synthetischen Sequenz wurden bestimmte Änderungen vorgenommen. Eine dieser Änderungen betrifft die Beseitigung redundanter DNA-Sequenzen. Die Verkleinerung der Genome hat gezeigt, dass es möglich ist, einen vereinfachten Organismus zu konstruieren und so den Energieaufwand für nicht essenzielle Gene zu verringern. Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen der Sc2.0-Sequenz und dem Wildtyp-Genom besteht in der Integration von symmetrischen loxP-Stellen (loxPsym), die 3 Basenpaare strangabwärts aller nicht essentiellen Genen liegen. Diese Stellen dienen als Erkennungssequenzen für die Cre-Rekombinase, die Inversionen, Duplikationen, Translokationen oder Deletionen zwischen zwei loxPsym-Stellen im synthetischen Chromosom katalysiert (als SCRaMbLE bezeichnet). In früheren Studien wurde gezeigt, dass die Cre-Rekombinase zur Verdichtung eines synthetischen Hefechromosoms eingesetzt werden kann. Allerdings gibt es immer noch Engpässe in diesem System. Zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Gendeletion kann die Cre-Rekombinase Inversionen oder Duplikationen induzieren, wodurch komplexe, umstrukturierte Genome entstehen. In dieser Arbeit habe ich eine umfassende Methode zur Integration von Deletionen in synthetische Hefechromosomen in einem Top-down-Ansatz sowie eine neuartige Screening-Methode auf der Grundlage der quantitativen PCR (qPCR)-Technologie untersucht.
Um die Anzahl der feststellbaren strukturellen Variationen zu erhöhen, haben wir eine Reihe von Primern mit der Bezeichnung LoxTags entwickelt. qTagGer wurde entwickelt, um Primer für die Genotypisierung zu entwerfen, die den Bereich um jede loxPsym-Stelle amplifizieren. Diese Tags erleichtern die Identifizierung von Deletionen, Inversionen und Translokationen. Die LoxTags wurden durch Anwendung einer optogenetisch gesteuerten Cre-Rekombinase (L-SCRaMbLE) auf ein synthetisches Hefechromosom validiert. Dann wurde eine halbautomatische Pipeline angepasst, um miniaturisierte qPCR-Reaktionen im Hochdurchsatz zu pipettieren. Stämme, bei denen qPCR hohe Mengen an Rekombination aufzeigte, wurden mit Nanopore-Sequenzierung bestätigt. Die durch qPCR gewonnenen Erkenntnisse zeigen alle verschiedenen Formen von Strukturvariationen, sowie eine Zunahme der Strukturvariationen bei Ringchromosomen. Nach einer ersten Darstellung der Funktionalität von LoxTags im Zusammenhang mit der Genotypisierung wird in dieser Arbeit eine Erweiterung der verfügbaren Werkzeuge durch die Anwendung der gleichen Designprinzipien für das Screening geklonter Plasmidbibliotheken vorgeschlagen. Die Identifizierung von modularen Golden-Gate-Bibliotheken wird durch die Amplifizierung des Bereichs um jede Klonierungsstelle erreicht, was ein Screening von Kolonien im Hochdurchsatz ermöglicht.
In Kapitel III wurde eine Pipeline für die Reduktion synthetischer Hefechromosomen entwickelt. Als Alternative zur SCRaMbLE-basierten Genomreduzierung wird in der Pipeline ein URA3-Marker durch eine Endonuklease entfernt. Zunächst wird der Marker durch homologe Rekombination (HR) in das synthetische Hefechromosom eingefügt, wobei die loxPsym-Stellen als Homologiesequenzen verwendet werden. Die Spezifität der Insertion wurde untersucht und durch Transposonbasierte Sequenzierungstechniken bestätigt. Anschließend wird der Marker enzymatisch entfernt. Dazu führen wir einen systematischen Vergleich zwischen der Cre-Rekombinase, Cas9, Cas3 und I-SceI durch. Der Vergleich bestätigt, dass Cas9 die effektivste Methode zur Entfernung des URA3-Markers ist, ohne zusätzliche strukturelle Veränderungen zu verursachen. Darüber hinaus zeigen wir,
dass einzelne Iterationen von Genomreduktionen zu Deletionen von über 10kbp führen, abhängig von Variablen wie der Position der Integration des Markers.
In dieser Arbeit schlagen wir eine Reihe von Werkzeugen vor, mit denen sich die Identifizierung von nicht essentieller DNA beschleunigen lässt. Die Entwicklung einer Alternative zu klassischen Transposon-Insertionen, die speziell auf synthetische Chromosomen und die gesamte Region zwischen zwei loxPsym-Stellen ausschaltet, wurde durch die Einführung und anschließende Entfernung des URA3-Gens erreicht. Die Implementierung einer qPCR-Pipeline, die loxTags verwendet, erleichtert die unkomplizierte Identifizierung der Mutationsgrößen. Die in dieser Arbeit vorgestellte qPCR-Pipeline kann für das Pre-Screening oder die Verifizierung jeder Art von DNA-Rekombination im Hochdurchsatz oder Klonierungsansatz verwendet werden. Die Genomreduktionspipeline kann zur Erzeugung kombinatorischer Deletionen im Semi-Hochdurchsatz verwendet werden. Das Screening vieler Mutanten kann zur Identifizierung und zum besseren Verständnis des nicht-essentiellen Genpools in synthetischen S. cerevisiae-Chromosomen führen
Charakterisierung des Lithiumtransports in Lithium-Titanat-Dünnschicht-Elektroden und deren Anwendung für die Messung von Elektrolyt-Überführungszahlen für Lithium-Ionen-Batterien
No full textThe relative conductivity of Li+-ions in lithium-ion battery electrolytes is quantified by the transference number, which can be assessed by applying electrochemical impedance spectroscopy under anion-blocking conditions. However, many electrolytes are not stable against the typically used lithium electrodes, so that an influence on the measurements because of unstable interfaces cannot be ruled out. The aim of this work was therefore to utilize an alternative thin-film electrode with wide electrolyte compatibility, which still fulfills the method-specific requirements of reversible Li+ incorporation and symmetric polarizability. These conditions are feasible with the typical anode material lithium titanate (Li4Ti5O12, LTO), which exhibits a two-phase transition to Li7Ti5O12 upon lithiation.
In this work, LTO was successfully produced as a thin-film electrode via spin-coating and thoroughly characterized by means of electrochemical and materialchemical methods regarding cyclability, stoichiometry, homogeneity. Moreover, inaccuracies in the preparation and measurement of the electrodes are considered, specifically the coverage of heterogeneous margins and the voltage-amplitude sensitivity for the impedance measurement. The impedance behavior of LTO was investigated at different states of (de)lithiation to understand the very-low frequency impedance
contribution of those electrodes. Here, an asymmetry between charge and discharge process was identified for the diffusion behavior, indicating differing phase distribution and propagation mechanisms, which are discussed in context with literature (values) and state-specific material chemical measurements. Further, the thin-film LTO electrodes were optimized to allow a reliable differentiation to electrolyte processes in transference number measurements, and primal approaches for a setup combining preconditioning and transference number measurements have been developed.Die relative Leitfähigkeit von Li+-Ionen in Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien wird durch die Überführungszahl quantifiziert, welche mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie unter Anionen-blockierenden Bedingungen bestimmt werden kann. Da jedoch viele Elektrolyte nicht
stabil gegenüber den üblicherweise verwendeten Lithium-Elektroden sind, kann hierbei eine Beeinträchtigung der Messungen durch instabile Grenzflächen nicht ausgeschlossen werden. Ziel dieser Arbeit war es daher eine alternative Dünnschicht-Elektrode mit umfangreicher Elektrolyt-Kompatibilität zu nutzen, welche gleichzeitig die methodenspezifischen Anforderungen einer reversiblen Aufnahme von Li+-Ionen und symmetrischen Polarisierbarkeit erfüllt. Diese Bedingungen ermöglicht das typische Anodenmaterial Lithiumtitanat (Li4Ti5O12, LTO), welches bei Lithiierung eine Phasentransformation zu Li7Ti5O12 zeigt.
In dieser Arbeit wurde LTO erfolgreich als Dünnschichtelektrode durch Schleuderbeschichtung hergestellt und mittels elektrochemischer und materialchemischer Methoden umfassend in Bezug auf Zyklisierbarkeit, Stöchiometrie und Homogenität charakterisiert. Hierbei werden auch Fehleranfälligkeiten bei der Herstellung und Vermessung der Elektroden betrachtet, spezifischer die Abdeckung von heterogenen Randbereichen und die Empfindlichkeit gegenüber der Spannungsamplitude bei Impedanzmessungen. Insbesondere wurde das Impedanzverhalten von LTO bei verschiedenen Zuständen der (De-)Lithiierung untersucht, um den Impedanzbeitrag dieser Elektroden bei sehr niedrigen Frequenzen zu erschließen. Dabei wurde eine Asymmetrie zwischen
Lade- und Entladeprozess bezüglich des Diffusionsverhaltens festgestellt, was wiederum auf unterschiedliche Phasenverteilungen sowie Ausbreitungsmechanismen hinweist und im Zusammenhang mit Literatur(werten) und zustandsspezifischen materialchemischen Messungen diskutiert wird. Des Weiteren wurden die Dünnschicht-LTO-Elektroden hinsichtlich einer deutlichen Differenzierung zu Elektrolytprozessen in Überführungszahlmessungen optimiert und grundlegende Ansätze für einen Messaufbau entwickelt, der Vorkonditionierung und Überführungszahlmessungen kombiniert
Biosynthese von bakteriellen Pyrrolizidinalkaloiden und weiteren nichtribosomalen Peptiden
No full textNonribosomal peptides (NRPs) are a class of structurally diverse and complex natural products (NPs) that exhibit multiple functions and have been shown to be involved in signal transduction as well as pathogenicity in the producing organism. As with other classes of NPs, these activities of NRPs are being exploited for human use. Many drugs are derived from or inspired by NPs. However, the physiological role of an NRP for the producing organism is often unclear, and its ingestion by humans or animals can lead to intoxication. The enzymes that produce NRPs, so called nonribosomal peptide synthetases (NRPS), are modular, and each module is responsible for incorporating a building block into the growing peptide chain. The modules themselves are composed of domains. A minimal module consists of three domains, the adenylation (A) domain, the thiolation (T) domain, and the condensation (C) domain. When the peptide chain reaches the last module, an offloading domain separates the oligopeptide from the NRPS, either as a linear or cyclic product. NRPs are known for their high structural diversity, which is achieved by modification of the product and incorporation of non-proteinogenic amino acids by the NRPS. Genes encoding NRPS are usually accompanied by several other genes and are grouped into biosynthetic gene clusters (BGCs). These genes typically encode for self-resistance, product decoration, peptide export, and enzymes required for building block synthesis.
NRPs are a promising starting point for the development of new drugs, but in order to improve or modify their bioactivity, they often need to be chemically modified. Great progress has been made in NRPS engineering over the last 25 years. Recently, additional NRPS engineering concepts have been developed in the Bode lab, two of which are relevant to the following projects, namely the concept of eXchange Units (XU) and the concept of eXchange Units between T domains (XUT). Here, an A-T-C (XU) unit or a T C A (XUT) unit is considered as an exchange unit that can be fused with other exchange units to form NRPS hybrids.
The following work is divided into three parts, each focused on a different NRP, namely pyrrolizwilline, pyrrolizixenamide, and FR900359. Two of these, pyrrolizwilline and pyrrolizixenamide, belong to the class of pyrrolizidine alkaloids (PAs). PAs are widespread natural products produced by plants and microorganisms. They are defined by their core structure, a bicyclic aliphatic hydrocarbon consisting of two ortho-fused five-membered rings with a bridgehead nitrogen. To date, about 40 microbial PAs have been identified, but their activities and ecological roles are largely unknown. A common pathway involving an NRPS and a Baeyer-Villiger monooxygenase (BVMO) forms the backbone of microbial PAs. BVMOs are known to convert ketones and lactones into linear and cyclic esters, respectively, by facilitating the insertion of an oxygen atom from molecular oxygen.
The first topic of this thesis was the biosynthesis of pyrrolizwilline, an unusual bacterial pyrrolizidine alkaloid dimer. Pyrrolizwilline produced by Xenorhabdus hominickii has been characterized in a previous work and promoter exchange experiments showed that the BGC xhp encodes the enzymes responsible for its production. However, the biosynthetic pathway of this compound remained unclear. Therefore, the aim of this study was to elucidate the biosynthesis of pyrrolizwilline. For this, heterologous expression of xhpA-G in Escherichia coli was used for the elucidation of the biosynthetic pathway. The experimental results obtained after heterologous expression of the xhp BGC and production of selected combinations of the encoded enzymes, followed by extensive analysis by high-performance liquid chromatography coupled with mass spectrometry (HPLC-MS), allowed postulating the complete biosynthetic route to pyrrolizwilline. This biosynthetic route is the first described to date involving both non-enzymatic and enzymatic reactions leading to the cross-linking of two bacterial pyrrolizidine alkaloid moieties in a natural context. The biosynthesis of pyrrolizwilline involves a key enzyme, the hydrolase XhpG, and a key non-enzymatic step that relies on the intrinsic reactivity of the pyrrolizidine intermediate to react with a biologically available aldehyde.
The second project focused on the derivatization of pyrrolizixenamide. PAs are recognized as privileged structural motifs in small molecule drug discovery and show a broad pharmaceutical potential, therefore it is of great interest to generate new-to-nature PAs. The previously characterized NRPS PxaA, together with the BVMO PxaB, is known to produce the PA pyrrolizixenamide in Xenorhabdus stockiae. In this project, the biosynthetic pathway of pyrrolizixenamide has been exploited with the aim of producing novel molecules. Several strategies were applied: precursor feeding, engineering of the PxaA termination module, and engineering of the PxaA starter module. In total, six out of 46 PxaA hybrids were shown to be functional and five novel peptides were produced.
In the third, and last, project the biosynthesis of the the depsipeptide FR900359 (FR) was investigated by NRPS engineering. The biosynthetic pathway leading to the production of FR is encoded in the BGC frsA-G in Chromobacterium vaccinii MWU205. FR is known as the most potent inhibitor of heterotrimeric Gq family proteins, one of the four major G protein families involved in cell-signaling and therefore of great interest. FR is also well known for its biosynthetic pathway leading to exceptional properties, such as hydroxyleucine, phenyllactic acid, N-methyldehydroalanine, N-methylalanine, or N-,O-dimethylthreonine. However, the presence and dependence of the A domains on their native MbtH-like protein (MLP) FrsB must be considered. MLPs are small proteins (60-70 amino acids) that are often encoded along with NRPS in bacterial BGCs. MLPs have been shown to act as chaperones by affecting the solubility of A domains and are often required for proper folding. In the first part of this project, the FR-producing NRPS was engineered to generate FR derivatives. For this purpose, the NRPS FrsA was chosen, which is responsible for the transfer of the side chain to the heptameric peptide FR-core produced by the NRPS FrsD-G. Engineering of FrsA was successful and is promising to enable FR derivatization. Finally, the biocombinatorial potential of the FrsADEFG NRPS modules was investigated, with special emphasis on their MLP dependency, in order to make these modules available for the diversification of other NRPs. The application of engineering strategies to the NRPS Frs was successful, allowing the use of FR building blocks in other MLP-independent NRPS systems. Furthermore, a tool was developed to study the MLP dependency of A domains, which also led to the conclusion that the native MLP should always be co-produced when using MLP-dependent NRPS modules.Nichtribosomale Peptide (NRPs) sind eine Klasse strukturell vielfältiger und komplexer Naturstoffe (NPs) mit diversen Funktionen. Sie können sowohl an der Signaltransduktion als auch an der Pathogenität im produzierenden Organismus beteiligt sein. Diese Aktivitäten der NRPs werden häufig für den menschlichen Gebrauch genutzt. So sind zum Beispiel einige Arzneimittel von NPs abgeleitet oder von ihnen inspiriert. Die physiologische Rolle eines NRP für den produzierenden Organismus ist jedoch oft unklar, und seine Aufnahme durch Mensch oder Tier kann zu Vergiftungen führen. NRPs werden von multifunktionalen Mega-Enzymen, sogenannte nichtribosomale Peptidsynthetasen (NRPS), produziert, die modular aufgebaut sind. Dabei ist jedes Modul für den Einbau eines Bausteins in die wachsende Peptidkette verantwortlich. Die Module selbst sind aus Domänen aufgebaut. Ein minimales Modul besteht aus drei Domänen: der Adenylierungsdomäne (A), der Thiolierungsdomäne (T) und der Kondensationsdomäne (C). Sobald die Peptidkette das letzte Modul erreicht, setzt eine Thioesterasedomäne (TE) das Oligopeptid entweder als lineares oder zyklisches Produkt frei. NRPs sind für ihre hohe strukturelle Diversität bekannt, die durch Produktmodifikationen und den Einbau nicht-proteinogener Aminosäuren erreicht wird. Gene, die für NRPS kodieren, werden häufig von einer Reihe anderer Gene begleitet und in sogenannte Biosynthese-Genclusters (BGCs) zusammengefasst. Diese Gene kodieren typischerweise für Selbstresistenz, Produktdekoration, Peptidexport und Enzyme, die für die Synthese von Bausteinen erforderlich sind.
NRPs sind ein vielversprechender Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Medikamente, aber um ihre Bioaktivität zu verbessern oder zu modifizieren, müssen sie oft chemisch modifiziert werden. In den letzten 25 Jahren wurden große Fortschritte auf dem Gebiet des NRPS-Engineering erzielt. Zuletzt wurden in der Arbeitsgruppe um Helge Bode zusätzliche NRPS-Engineering-Konzepte entwickelt, von denen zwei für die folgenden Projekte relevant sind: das Konzept ‚Exchange Unit‘ (XU) und das Konzept der ‚Exchange Unit Thiolation Domain‘ (XUT). Dabei wird eine A-T-C (XU) oder eine T-C-A (XUT) Einheit als eine Austauscheinheit betrachtet, die mit anderen ‚Exchange Units’ fusioniert werden kann, um NRPS-Hybride zu bilden.
Die folgende Arbeit ist in drei Themen gegliedert, von denen sich jedes auf ein NRP konzentriert, nämlich Pyrrolizwillin, Pyrrolizixenamid und FR900359. Zwei dieser Naturstoffe, Pyrrolizwillin und Pyrrolizixenamid, gehören zu der Klasse der Pyrrolizidinalkaloide (PA). PAs sind weit verbreitete Naturstoffe, die von Pflanzen und Mikroorganismen gebildet werden und durch ihre Hexahydro-1H-pyrrolizin-Kernstruktur charakterisiert sind. Bis heute wurden etwa 40 mikrobielle PAs identifiziert, allerdings sind ihre Aktivitäten und ihre ökologische Rolle weitgehend unbekannt. Ein gemeinsamer Stoffwechselweg, bestehend aus einer NRPS und einer Baeyer-Villiger-Monooxygenase (BVMO), bildet die Kernstruktur der mikrobiellen PAs. BVMOs sind dafür bekannt, dass sie Ketone und Lactone in lineare oder cyclische Ester umwandeln, indem sie die Insertion eines Sauerstoffatoms aus molekularem Sauerstoff katalysieren.
Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit war die Biosynthese von Pyrrolizwillin, einem ungewöhnlichen bakteriellen PA-Dimer. Das von Xenorhabdus hominickii produzierte Pyrrolizwillin wurde in einer früheren Arbeit charakterisiert, und Promotoraustausch-Experimente zeigten, dass das BGC xhp die für seine Produktion verantwortlichen Enzyme kodiert. Der Biosyntheseweg dieses PAs blieb jedoch unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Biosynthese von Pyrrolizwillin aufzuklären. Dazu wurde die heterologe Expression von xhpA-G in Escherichia coli zur biosynthetischen Aufklärung genutzt. Die experimentellen Ergebnisse, die nach der heterologen Expression des xhp BGC und der Produktion ausgewählter Kombinationen der kodierten Enzyme sowie durch umfangreiche Analysen mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (HPLC-MS) erzielt wurden, erlaubten es, den vollständigen Biosyntheseweg zu Pyrrolizwillin aufzuschlüsseln. Dieser Biosyntheseweg ist der erste bisher beschriebene, welcher sowohl nicht-enzymatische als auch enzymatische Reaktionen umfasst, die zur Vernetzung von zwei bakteriellen PA-Einheiten in einem natürlichen Kontext führen. Dabei spielen das Schlüsselenzym, die Hydrolase XhpG, und ein nicht-enzymatischer Schritt, der auf der intrinsischen Reaktivität des Pyrrolizidin-Intermediats beruht, mit einem bioverfügbaren Aldehyd zu reagieren, eine wichtige Rolle.
Das zweite Projekt konzentrierte sich auf die Derivatisierung von Pyrrolizixenamid. PAs sind als bevorzugte Strukturmotive in der Wirkstoffforschung anerkannt und zeigen ein breites pharmazeutisches Potenzial, weshalb es von großem Interesse ist, neue, in der Natur nicht vorkommende PAs zu generieren. Die zuvor charakterisierte NRPS PxaA ist zusammen mit der BVMO PxaB für die Produktion des PA Pyrrolizixenamide in Xenorhabdus stockiae bekannt. Dieser Biosyntheseweg wurde in diesem Projekt genutzt, um neuartige Pyrrolizixenamide Derivate herzustellen. Verschiedene Strategien wurden angewandt: die Fütterung von Bausteinen und Engineering der NRPS PxaA. Insgesamt erwiesen sich sechs von 46 PxaA-Hybriden als funktionell und fünf neue Peptide wurden hergestellt.
Im dritten und letzten Projekt wurde die Biosynthese des Depsipeptids FR900359 (FR) durch NRPS-Engineering untersucht. Der Biosyntheseweg, der zur Produktion von FR führt, ist in dem BGC frsA-G in Chromobacterium vaccinii MWU205 kodiert. FR ist bekannt als der stärkste Inhibitor der heterotrimeren Gq-Proteinfamilie, einer der vier Hauptfamilien von G-Proteinen, die an der Signaltransduktion in tierischen und menschlichen Zellen beteiligt und daher von großem Interesse sind. FR ist auch für seinen Biosyntheseweg bekannt, der zu außergewöhnlichen Bausteinen führt, wie Hydroxyleucin, Phenyllactat, N-Methyldehydroalanin, N-Methylalanin oder N-,O-Dimethylthreonin. Allerdings muss die Anwesenheit und Abhängigkeit der A-Domänen von ihrem nativen MbtH-ähnlichen Protein (MLP) FrsB berücksichtigt werden. MLPs sind kleine Proteine (60-70 Aminosäuren), die häufig neben NRPS in BGCs kodiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass MLPs als Chaperone wirken, indem sie die Löslichkeit der A-Domänen beeinflussen und häufig für die korrekte Faltung notwendig sind. Im ersten Teil des Projektes wurde die FR-produzierende NRPS so modifiziert, dass FR-Derivate produziert werden konnten. Zu diesem Zweck wurde die NRPS FrsA ausgewählt, die für die Übertragung der Seitenkette auf den heptameren FR-core verantwortlich ist, der von der NRPS FrsD-G produziert wird. Das Engineering von FrsA war erfolgreich und die Ergebnisse lassen auf die erfolgreiche Derivatisierung von FR hindeuten. Schließlich wurde das biokombinatorische Potenzial der FrsADEFG-NRPS-Module mit besonderem Schwerpunkt auf ihrer MLP-Abhängigkeit untersucht, um die Module für die Diversifizierung anderer NRPS verfügbar zu machen. Die Anwendung von Engineering-Strategien auf FrsADEFG war erfolgreich und ermöglichte die Verwendung von Frs-Modulen in anderen MLP-unabhängigen NRPS-Systemen. Darüber hinaus wurde ein Tool entwickelt welches die Untersuchung der MLP-Abhängigkeit von A Domänen ermöglicht. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass das native MLP immer mitproduziert werden sollte, wenn MLP-abhängige NRPS-Module heterolog verwendet werden
NAD-RNA Decapping in Escherichia coli: Discovering the Mechanism and Function of NudC
No full textIn Escherichia coli, NudC plays a crucial role in the decapping of 5’-NAD-RNA. Initially identified as a Nudix hydrolase capable of hydrolyzing NAD+ into adenosine monophosphate (AMP) and nicotinamide mononucleotide (NMN), recent studies have shown that NudC has a stronger substrate preference for 5’-NAD-RNA over NAD+. This preference results in the decapping of 5’-NAD-RNA, producing 5’-P-RNA and NMN. The association between NudC and RNA was first observed during protein purification in 1995, but this interaction remained unexplored until recent next-generation sequencing (NGS) data revealed that the RNA binding by NudC is independent of RNA size and sequence. However, the mechanism in which NudC binds to RNA substrates and the biological implications that this interaction might regulate, remain unexplored. Therfore, this work aims to extend the knowledge gap of NAD-RNA decapping mediated by NudC and further implications of it in E. coli.
Hereby we present an extensive structural, biochemical, and phenotypical analysis demonstrating the mechanism in which NudC decapping activity, localization, and protein interactions are mediated by RNA binding.
Therefore, in section 3.1 we identified by an in silico approach the critical residues of NudC involved in RNA interaction. By in vitro data demonstrated that residues R120 and R122 mediate NudC-RNA binding, which facilitates the decapping of NAD-RNA. By in vivo assays, we demonstrated that the absence of these residues increase up to 10 times the half-life of NAD-RNAs transcripts. Motivated by these results, in section 3.2 we demonstrated that Nud-RNA binding is crucial to promote NudC localization and diffusion towards the inner membrane, and intracellular RNA drives such behavior.
Additionally, in section 3.3 we showed for the first time by in vivo and in silico evidence, the association between NudC and the RNA polymerase complex, proposing that decapping and transcription, are coupled processes in E. coli. We also identified the interaction between NudC and PNPase proposing a novel 3’ dependent NAD-RNA degradation by PNPase facilitated by NudC-RNA binding. Ultimately, in section 3.4 we identified protein dysregulation upon NudC-RNA binding disruption, which leads to impaired Biofilm formation in E. coli, possibly linked to untranslated NAD-mRNAs.In Escherichia coli spielt NudC eine entscheidende Rolle bei der Decappung von 5'-NAD- RNA. Ursprünglich als Nudix-Hydrolase identifiziert, die NAD+ zu Adenosinmonophosphat (AMP) und Nicotinamidmononukleotid (NMN) hydrolysieren kann, haben neuere Studien gezeigt, dass NudC eine stärkere Substratpräferenz für 5'-NAD-RNA gegenüber NAD+ aufweist. Diese Präferenz führt zur Decappung von 5'-NAD-RNA und zur Produktion von 5'- P-RNA und NMN. Die Assoziation zwischen NudC und RNA wurde erstmals 1995 bei der Proteinreinigung beobachtet, blieb jedoch unerforscht, bis aktuelle Daten der Next- Generation-Sequenzierung (NGS) zeigten, dass die RNA-Bindung durch NudC unabhängig von RNA-Größe und -Sequenz ist. Der Mechanismus, über den NudC an RNA-Substrate bindet, und die biologischen Auswirkungen, die diese Interaktion möglicherweise reguliert, sind jedoch noch unerforscht. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, die Wissenslücke zur durch NudC vermittelten NAD-RNA-Decapping und weiteren Auswirkungen davon in E. coli zu schließen.
Hiermit präsentieren wir eine umfassende strukturelle, biochemische und phänotypische Analyse, die den Mechanismus demonstriert, in dem die NudC-Decapping-Aktivität, Lokalisierung und Proteininteraktionen durch RNA-Bindung vermittelt werden.
Daher identifizierten wir in Abschnitt 3.1 mittels eines in silico Ansatzes die kritischen NudC-Reste, die an der RNA-Interaktion beteiligt sind. In vitro Daten zeigten, dass die Reste R120 und R122 die NudC-RNA-Bindung vermitteln, welche die Decapping-Funktion von NAD-RNA erleichtert. In vivo Tests zeigten wir, dass das Fehlen dieser Reste die Halbwertszeit von NAD-RNA-Transkripten um das bis zu Zehnfache verlängert. Motiviert von diesen Ergebnissen zeigten wir in Abschnitt 3.2, dass die Nud-RNA-Bindung entscheidend für die Lokalisierung und Diffusion von NudC in Richtung der inneren Membran ist und dass intrazelluläre RNA dieses Verhalten steuert.
Darüber hinaus haben wir in Abschnitt 3.3 erstmals durch in vivo und in silico Beweise die Assoziation zwischen NudC und dem RNA-Polymerasekomplex nachgewiesen und legen nahe, dass Decapping und Transkription in E. coli gekoppelte Prozesse sind. Wir identifizierten außerdem die Interaktion zwischen NudC und PNPase und vermuten einen neuartigen 3'-abhängigen NAD-RNA-Abbau durch PNPase, der durch die NudC-RNA- Bindung erleichtert wird. Schließlich identifizierten wir in Abschnitt 3.4 eine Proteindysregulation nach Unterbrechung der NudC-RNA-Bindung, die zu einer beeinträchtigten Biofilmbildung in E. coli führt, möglicherweise im Zusammenhang mit nicht- translatierten NAD-mRNAs
South American Tropical Lowland Cloud Forest (TLCF) under Climate Extremes:Fog Dynamics, Refugial Areas and Microclimate Modelling
No full textFog affects human lives and the environment in many ways. In addition to economic effects, for example on road and air traffic, fog also fulfils important ecological functions. It is widely known, for example, that in montane tropical forests there are special conditions due to frequent fog input that favour a high level of epiphyte diversity. In the valleys of the tropical lowlands, nocturnal fog can also represent a special form of water supply for organisms such as epiphytes, which obtain supply from the fog water while they have no direct root connection to the ground for their water supply. Although the general existence of such tropical lowland cloud forests (TLCF) in French Guiana is known and has been extensively researched, their spatial extent on a continental scale in South America is still unknown.Knowledge of the distribution of these species-rich TLCF is of particular ecological interest, as these areas play important local ecological and mesoscale climatological roles. The first aim of this dissertation is to derive the potential distribution of TLCF on a continental scale for the entire Amazon lowlands based on long-term fog frequency maps.Satellite data have proven to be an effective means of classifying the frequency of fog events in the mostly inaccessible areas of the tropical forests. The work in this study is based on infrared image data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on board the Aqua weather satellite, which is in a polar, sun-synchronised orbit. Two spectral bands were extracted from the MODIS data, which are often used to derive nebula signals due to their optical properties. Based on validated predictions of the presence and absence of fog, fog frequency maps were calculated for the entire tropical lowland forest of South America. The frequency maps determined in the first part were then statistically analysed to derive the extent to which fog frequency is related to terrain shape and whether fog frequency over concave landforms is less regressive than over convex landforms during atmospheric dryness. Knowledge of the potential distribution of TLCF can thus be extended to include knowledge of the distribution of hygric climate change refugia (HCCR), which are located particularly in valleys. Since the modelling of identified fog-rich areas enables an exact quantification and small-scale identification of TLCF (niche species) and HCCR (refugium species), the last part of this dissertation analysed to what extent existing algorithms can be used to model nocturnal cold air outflows and the resulting temperature inversions in valley areas of tropical lowland forests. It was demonstrated that existing algorithms need to be modified and re-calibrated for use in the tropics. Based on the findings of this dissertation, it is possible to precisely identify and classify particularly valuable areas of the Amazonian lowlands, classified as tropical lowland cloud forests, which may serve as hydric climate change refugia in the future. Moreover, their ecological functions may be quantified based on further developed algorithms, and these areas can be recommended as regions deserving special protection privileges.Nebel wirkt sich in vielerlei Hinsicht auf das Leben der Menschen und die Umwelt aus. Neben wirtschaftlichen Auswirkungen sowie den Straßen- und Luftverkehr, nimmt Nebel auch wichtige ökologische Funktionen ein. So ist etwa bekannt, dass in montanen tropischen Wäldern durch häufigen Nebeleintrag besondere Bedingungen herrschen, die eine hohe Epiphytendiversität begünstigen. Auch in Tallagen des tropischen Tieflands kann nächtlicher Nebel eine besondere Form der Wasserversorgung für Organismen wie Epiphyten darstellen, die sich aus dem Nebelwasser versorgen, während sie keine direkte Wurzelverbindung zum Boden haben. Obwohl die Existenz solcher tropischer Tieflandnebelwälder (Tropical Lowland Cloud Forest, TLCF) in Französisch-Guayana bekannt und weitreichend erforscht ist, ist ihre weitere räumliche Ausdehnung in Südamerika bis heute unbekannt. Die Kenntnis der Verbreitung dieser artenreichen TLCF ist von besonderem ökologischem Interesse, da diese Gebiete wichtige lokale ökologische und mesoskalige klimatologische Funktionen einnehmen. Das erste Ziel dieser Dissertation ist, auf Basis von langjährigen Nebelhäufigkeitskarten die potenzielle Verbreitung von TLCF auf kontinentaler Ebene für das gesamte Amazonastiefland abzuleiten. Um die zumeist schwer zugänglichen Gebiete der tropischen Wälder hinsichtlich der Häufigkeit von Nebelereignissen klassifizieren zu können, haben sich Satellitendaten als probates Mittel erwiesen. Die Arbeiten der vorliegenden Studie basieren auf Infrarot-Bilddaten des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord des Wettersatelliten Aqua, der sich auf einer polaren sonnensynchronen Erdumlaufbahn befindet. Aus den MODIS-Daten wurden zwei Spektralbänke extrahiert, die aufgrund ihrer optischen Eigenschaften häufig zur Ableitung von Nebelsignalen verwendet werden. Basierend auf validierten Vorhersagen über die An- sowie die Abwesenheit von Nebel wurden Nebelhäufigkeitskarten für den gesamten tropischen Tieflandwald Südamerikas berechnet. Die im ersten Teil ermittelten Häufigkeitskarten wurden im Anschluss statistisch ausgewertet, um abzuleiten, inwieweit die Nebelhäufigkeit mit der Geländeform zusammenhängt und ob die Nebelhäufigkeit über konkaven Landformen bei atmosphärischer Trockenheit weniger rückläufig ist als über konvexen Landformen. Die Kenntnis über die potenzielle Verbreitung des TLCF kann damit um die Kenntnis über die Verbreitung hygrischer Klimawandelrefugien (hygric climate change refugia, HCCR) erweitert werden, die sich insbesondere in Tallagen befinden. Da die Modellierung von identifizierten nebelreichen Gebieten eine genaue Quantifizierung und kleinräumige Identifikation von TLCF (Nische-Art) und HCCR (Refugium-Art) ermöglicht, wurde im letzten Teil dieser Dissertation analysiert, inwieweit mit heutzutage existierenden Algorithmen nächtliche Kaltluftabflüsse und daraus resultierende Temperaturinversionen in Tallagen des tropischen Tieflandwaldes modelliert werden können. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass bestehende Algorithmen für eine Anwendung in den Tropen modifiziert und re-kalibriert werden müssen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Dissertation ist es möglich, besonders wertvolle Gebiete des Amazonastieflandes, die als tropische Tieflandnebelwälder klassifiziert werden, genau zu lokalisieren und zu klassifizieren. Diese Gebiete könnten in Zukunft als hygrische Klimawandelrefugien dienen. Darüber hinaus können ihre ökologischen Funktionen auf Grundlage weiterentwickelter Algorithmen quantifiziert und diese Gebiete als Regionen mit besonderen Schutzprivilegien empfohlen werden
Eltern von (erwachsenen) Kindern mit geistiger Behinderung. Erfahrungen, Probleme, Bedarfe
No full textDie Ergebnisse der Studie „Zwischen Herkunftsfamilie und dem Leben im ambulant betreuten Wohnen“ werden in diesem Buch erstmalig vollständig präsentiert und diskutiert. Folgende Forschungsfragen standen dabei im Vordergrund: Wie sehen Biographien von Eltern von Kindern mit geistiger Behinderung aus? Wie konstruieren Eltern von (erwachsenen) Kindern mit geistiger Behinderung ihr Elternsein? Vor welchen Herausforderungen stehen Eltern von (erwachsenen) Kindern mit geistiger Behinderung? Das Buch richtet sich an eine breite Leser*innenschaft. Für Wissenschaftler*innen bereichert es den Diskurs über ein oft vernachlässigtes Thema und füllt eine Forschungslücke, indem es die Perspektive der Eltern von erwachsenen Kindern mit geistiger Behinderung in den Mittelpunkt stellt. Pädagogische Fachkräfte finden hier wertvolle Anregungen für die Elternarbeit und eine Reflexionsgrundlage, um ihr berufliches Handeln zu professionalisieren. Für Eltern selbst bietet das Buch Raum zur Identifikation, indem es ihre Lebensgeschichten aufgreift und zeigt, wie wichtig es ist, ihre Stimme wahrzunehmen. Auch Studierende und Auszubildende pädagogischer Fachrichtungen profitieren von den anschaulichen Familienporträts und der Einführung in die Methode der objektiv-hermeneutischen Rekonstruktion. Mit seinen vielschichtigen Perspektiven schafft dieses Buch eine Brücke zwischen Wissenschaft, Praxis und persönlichem Erleben. Es ist für alle gedacht, die den Alltag und die Herausforderungen von Familien mit einem erwachsenen Kind mit geistiger Behinderung verstehen oder mehr darüber erfahren möchten – sei es aus professionellem Interesse oder persönlicher Neugier.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
From markers to mechanisms: A multimodal investigation of structural markers of vulnerability and disease progression in affective disorders
No full textAffective disorders, such as bipolar disorder and major depressive disorder, are complex and severe mental illnesses characterized by mood episodes. These disorders present significant challenges to diagnosis and treatment due to their complex nature and the interplay of genetic, environmental, and biological factors. Recent advances in magnetic resonance imaging have identified structural brain changes associated with these disorders, holding promise for early detection and targeted intervention. This dissertation examined structural magnetic resonance imaging brain markers of vulnerability and disease progression in bipolar disorder and major depressive disorder.
Study I conducted cross-sectional analyses to investigate common gray matter volume changes in a group of individuals at risk for and another group diagnosed with bipolar disorder, compared to a group of healthy controls. Results showed larger putamen volumes in both individuals at risk and with manifest disease, suggesting that putamen enlargement might be a vulnerability marker for bipolar disorder. This neuroanatomical vulnerability may precede the onset of the disorder and persist throughout its course.
Study II employed longitudinal analyses to assess gray matter volume changes in a group of patients with bipolar disorder, who experienced depressive or manic episodes over a two-year follow-up interval, in comparison to a group of patients without episodes and a group of healthy controls. Results showed volume increases in the right exterior cerebellum in patients with multiple depressive episodes during the two-year interval, which correlated with elevated baseline levels of C-reactive protein, a marker of systemic inflammation. Conversely, patients without an episode during the two-year interval, particularly those with a longer history of manic episodes before the baseline assessment, exhibited volume decreases in the same area, compared to healthy controls. These findings suggest that volume increases during depressive episodes might reflect neuroinflammatory processes, followed by volume decreases during periods of remission, potentially as a result of synaptic pruning induced by previous episodes. These findings highlight the potential role of the cerebellum in the disease progression in bipolar disorder associated with recurrent mood episodes.
Study III examined longitudinal gray matter volume changes in a group of patients with major depressive disorder in response to stressful life events over a two-year interval, particularly those with recurrent depressive episodes and a history of childhood maltreatment, compared to a group of healthy controls. Results showed volume increases in the middle frontal, precentral, and postcentral gyri in these patients, which correlated with elevated baseline C-reactive protein levels, potentially suggesting maladaptive neuroinflammatory responses to stress. In contrast, healthy controls showed volume decreases in these areas, potentially representing adaptive neural compensations. These findings underscore the potential role of the middle frontal, precentral, and postcentral gyri in vulnerability and disease progression in major depressive disorder associated with recurrent depressive episodes, particularly concerning predisposing factors such as childhood maltreatment.
These findings highlight the importance of a multimodal, longitudinal approach to assessing neuroanatomical correlates of disease trajectories in affective disorders. By moving beyond traditional case-control cross-sectional designs, this work provides a nuanced understanding of how episodes, environmental factors, and inflammatory processes collectively impact brain structure across disease trajectories. Future research should continue to refine these dynamics through detailed subgroup analyses and multiple assessment points to ultimately improve diagnostic, preventive, and therapeutic strategies.Affektive Störungen wie die bipolare Störung und Major Depression sind komplexe und schwerwiegende psychische Erkrankungen, die durch Stimmungsepisoden gekennzeichnet sind. Diese Störungen stellen aufgrund ihrer Komplexität und des Zusammenspiels von genetischen, umweltbedingten und biologischen Faktoren eine große Herausforderung für die Diagnose und Behandlung dar. Jüngste Fortschritte in der Magnetresonanztomographie haben strukturelle Gehirnveränderungen identifiziert, die mit diesen Störungen assoziiert sind und vielversprechende Ansätze für die Früherkennung und gezielte Intervention bieten. Diese Dissertation untersuchte mittels Magnetresonanztomographie strukturelle Gehirnmarker als Indikatoren für Vulnerabilität und Krankheitsprogression bei bipolarer Störung und Major Depression.
Studie I führte Querschnittsanalysen durch, um die gemeinsamen Veränderungen des grauen Hirnvolumens in einer Gruppe von Personen mit Risiko für bipolare Störung und einer anderen Gruppe mit diagnostizierter bipolarer Störung im Vergleich zu einer Gruppe gesunder Kontrollpersonen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten ein größeres Volumen des Putamens sowohl bei Risikopersonen als auch bei Personen mit manifester Erkrankung, was darauf hindeutet, dass eine Vergrößerung des Putamens ein Vulnerabilitätsmarker für die bipolare Störung sein könnte. Diese neuroanatomische Vulnerabilität könnte dem Ausbruch der Störung vorausgehen und im Verlauf der Erkrankung bestehen bleiben.
Studie II verwendete Längsschnittanalysen, um die Veränderungen des grauen Volumens in einer Gruppe von Patienten mit bipolarer Störung zu untersuchen, die über ein Zweijahresintervall depressive oder manische Episoden hatten, im Vergleich zu einer Gruppe von Patienten ohne Episoden und einer Gruppe gesunder Kontrollpersonen. Die Ergebnisse zeigten Volumenzunahmen im rechten äußeren Kleinhirn bei Patienten mit mehreren depressiven Episoden während des Zweijahresintervalls, was mit erhöhten Baseline-Werten von C-reaktivem Protein, einem Marker für systemische Entzündungen, korrelierte. Im Gegensatz dazu zeigten Patienten ohne Episoden während des Zweijahresintervalls, insbesondere diejenigen mit einer längeren Vorgeschichte manischer Episoden vor der Baseline-Erhebung, Volumenabnahmen in der gleichen Region im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen. Diese Befunde deuten darauf hin, dass Volumenzunahmen während depressiver Episoden neuroinflammatorische Prozesse widerspiegeln könnten, gefolgt von Volumenabnahmen während der Remissionsphasen, möglicherweise als Folge von synaptischem Pruning, das durch vergangene Episoden induziert wurde. Sie unterstreichen die mögliche Rolle des Kleinhirns bei der Krankheitsprogression der bipolaren Störung im Zusammenhang mit rezidivierenden Stimmungsepisoden.
Studie III untersuchte die longitudinalen Veränderungen des grauen Volumens bei einer Gruppe von Patienten mit Major Depression als Reaktion auf stressvolle Lebensereignisse über ein Zweijahresintervall, wobei der Fokus insbesondere auf Patienten mit rezidivierenden depressiven Episoden und einer Vorgeschichte von Kindheitstraumata lag, im Vergleich zu einer Gruppe gesunder Kontrollpersonen. Die Ergebnisse zeigten bei diesen Patienten Volumenzunahmen in den mittleren frontalen, präzentralen und postzentralen Gyri, die mit erhöhten Baseline-Werten von C-reaktivem Protein korrelierten, was auf maladaptive neuroinflammatorische Reaktionen auf Stress hinweisen könnte. Im Gegensatz dazu zeigten gesunde Kontrollpersonen Volumenabnahmen in diesen Regionen, was auf adaptive neuronale Kompensationen hinweisen könnte. Diese Befunde unterstreichen die mögliche Rolle der mittleren frontalen, präzentralen und postzentralen Gyri bei der Vulnerabilität und Krankheitsprogression der Major Depression im Zusammenhang mit rezidivierenden depressiven Episoden, insbesondere in Bezug auf prädisponierende Faktoren wie Kindheitstraumata.
Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung eines multimodalen, longitudinalen Ansatzes zur Bewertung neuroanatomischer Korrelate von Krankheitsverläufen bei affektiven Störungen. Indem sie über traditionelle Fall-Kontroll-Querschnittsstudien hinausgeht, liefert diese Arbeit ein differenziertes Verständnis davon, wie Episoden, Umweltfaktoren und Entzündungsprozesse gemeinsam die Gehirnstruktur während des Krankheitsverlaufs beeinflussen. Zukünftige Forschung sollte diese Dynamiken durch detaillierte Subgruppenanalysen und multiple Untersuchungszeitpunkte weiter verfeinern, um letztendlich diagnostische, präventive und therapeutische Strategien zu verbessern