11723 research outputs found
Sort by
Structural Basis of Membrane Transport and Pyrophosphorylation of Thiamine in Humans
No full textThiamine (vitamin B1) is an essential coenzyme for prokaryotic and eukaryotic cells alike. In conjunction with thiamine-dependent enzymes, the vitamin catalyses reactions of central metabolic pathways, like the citric acid cycle and the pentose phosphate pathway. Metazoans, including humans, have lost the ability to synthesise thiamine de novo. Hence, every cell in these organisms needs to import the vitamin over its plasma membrane. In humans, this membrane transport is mainly mediated by the solute carrier proteins SLC19A2 and SLC19A3. Perturbation of this transport system has severe effects on human health. Loss of function mutations in SLC19A2 and SLC19A3 cause detrimental diseases. Furthermore, the inhibition of SLC19A3 by the Janus kinase inhibitor fedratinib is associated with severe neurological side effects in the form of Wernicke’s encephalopathy. Despite the physiological and pharmacological importance of thiamine transport in humans, the underlying molecular machinery remained poorly understood on a structural and biophysical level. In this Dissertation, I present high-resolution cryo-EM structures of the human SLC19A3 (hSLC19A3) in complex with its endogenous substrate thiamine, as well as the known thiamine uptake inhibitors fedratinib, amprolium, and hydroxychloroquine. The structure determination was enabled by the discovery of three unique SLC19A3-specific nanobodies. The nanobodies allowed me to determine the structure of hSLC19A3 in its outward- and inward-open conformational states. Using thermal shift and cellular uptake assays, I explored the wider drug interaction spectrum of hSLC19A3. This brought about the discovery of seven inhibitors of the human thiamine transporter. Based on the determined cryo-EM structures, we performed computational docking to screen medications for their propensity to block thiamine transport in humans. Hit compounds from this virtual screen were validated experimentally on a biophysical, functional, and structural level. The biological function of thiamine as a coenzyme in the cell is critically dependent on its pyrophosphorylation by the enzyme TPK1. In this Dissertation, I present a cryo-EM structure of the human TPK1 at a resolution of 2.1 Å. This work showcases the ability of cryo-EM to determine small protein structures at resolutions useful for clear biochemical interpretation and structure-based drug design
Enhancing Estuarine Marsh Ecosystem Models through Biotic Interactions: Investigating the Role of Root Oxygen Loss and Root Exudation on Carbon Dynamics.
No full textEffect of biota on soil mineral dissolution in salt marsh sediment
No full textSalt marshes have significant potential to sequester anthropogenic CO2 emissions and store substantial amounts of organic carbon within their ecosystems. On the other hand, salt marshes serve as the source of DIC and alkalinity export, potentially regulating the carbonate chemistry of the adjacent coastal waters, including oceans. However, most studies have focused on the biotic interactions at the ecosystem or the landscape scale, leaving gaps in understanding the potential impact of rhizosphere processes on modulating the alkalinity generation and influencing inorganic carbon dynamics. Furthermore, several salt marsh studies have been conducted in organic-rich sediments, overlooking the organic-poor type in regions such as the Wadden Sea or the Elbe estuary, where inorganic carbon significantly contributes. Hence, this thesis aimed to improve the understanding of the role of the inorganic carbon within the minerogenic salt marsh soil and salt marsh plant-mediated effects on alkalinity generation.
Chapter II investigated the rhizosphere effect on alkalinity generation by simulating soil pCO2 conditions and identifying the dominant biogeochemical processes responsible for alkalinity in minerogenic salt marsh soil. The results revealed significant positive feedback of elevated soil pCO2 on TA enrichment, with the maximum TA increase reaching two-fold when soil pCO2 was raised from 440 to 150,000 µatm. Carbonate mineral dissolution was identified as the possible dominant driving force behind TA generation, with an additional contribution from silicate minerals.
Chapter III explored the role of biogenic carbonates in feeding the alkalinity budget. This study indicated that fresh biogenic carbonates on the topsoil might not be relevant to increasing TA production. Instead, soil carbonates might represent the primary source driving mineral dissolution and TA generation in this experiment. This might be related to less water exposure time and larger grain size, causing the shells to be less susceptible to the dissolution process.
Chapter IV focused on assessing the effects of salt marsh plants on alkalinity generation. Experiment I determined the effect of Spartina x townsendii and Elymus athericus on alkalinity generation. Both plants significantly enhanced the alkalinity generation, with TA concentrations up to 10-fold higher than non-planted columns. This study and the findings of Chapter II provided evidence that high acidity production from respired CO2 in the rhizosphere can induce mineral dissolution. However, the relative contribution of rhizosphere-driven alkalinity via mineral dissolution versus anaerobic respiration remains undetermined. Experiment II aimed to test the assumption drawn from Chapter III's findings and further explored Spartina x townsendii’s role in enhancing biogenic mineral dissolution and alkalinity production. Shell-bearing limestone contributed to mineral dissolution when the powdered minerals were homogeneously mixed with salt marsh soil. Spartina x townsendii increased the TA generation; however, adding additional minerals did not enhance alkalinity. This could be linked to the saturation state of the respective carbonate minerals in the outflow water.
In summary, this thesis provided the first empirical evidence of the salt marsh plants' rhizosphere regulating the soil mineral dissolution and the contribution of biogenic carbonates to the alkalinity budget. These findings also challenged the prevailing notion of the unaccountable role of inorganic carbon within the salt marsh, suggesting that carbonate mineral dissolution is likely to be the dominant biogeochemical pathway within the organic-poor minerogenic salt marsh, unlike other organic-rich salt marsh systems. Future studies should also focus on how climate change stressors affect salt marsh biota in terms of alkalinity generation while also incorporating the role of plants in influencing the fate of inorganic carbon in restoration strategies. Additionally, investigating intra- and interspecific variations among plants and their rhizospheres may reveal differential impacts on alkalinity enhancement and the buffering capacity of exported water. Continued research is essential for developing more effective restoration management and climate change mitigation strategies.Salzmarschen besitzen erhebliches Potenzial zur Bindung anthropogener CO2-Emissionen und haben die Fähigkeit beträchtliche Mengen an organischem Kohlenstoff innerhalb des Ökosystems zu speichern. Des Weiteren stellen Salzmarschen eine Quelle für DIC und den Export von Alkalinität dar, wodurch sie die Karbonatchemie angrenzender Küstengewässer, einschließlich der Ozeane, potentiell regulieren können. Die meisten Studien konzentrierten sich jedoch bisher auf die biotischen Interaktionen auf Ökosystem- oder Landschaftsebene, sodass es Lücken im Verständnis der möglichen Auswirkungen von Prozessen der Rhizosphäre auf die Regulierung der Alkalinität und damit auf die anorganische Kohlenstoffdynamik gibt. Darüber hinaus wurden mehrere Studien über Salzmarschen mit hohem Anteil organischer Substanz im Sediment durchgeführt, wobei der an organischer Substanz verarmte Typ in Regionen wie dem Wattenmeer oder dem Elbeästuar, in denen der anorganische Kohlenstoff eine wichtige Rolle spielt, vernachlässigt wurde. Ziel dieser Arbeit war es daher, das Verständnis über die Rolle des anorganischen Kohlenstoffs in mineralischen Salzmarschen und die von Salzmarschpflanzen vermittelten Auswirkungen auf die Alkalinität zu verbessern.
In Kapitel II wurde der Rhizosphären-Effekt auf die Alkalinitätsbildung untersucht, indem die pCO2-Bedingungen im Boden simuliert und die dominanten biogeochemischen Prozesse identifiziert wurden, die für die Alkalinität in mineralischen Salzmarschböden verantwortlich sind. Die Ergebnisse zeigten eine signifikant positive Wirkung von erhöhtem pCO2 im Boden auf die TA-Anreicherung, wobei der maximale TA-Anstieg das Zweifache erreichte, wenn der pCO2-Wert im Boden von 440 auf 150.000 µatm erhöht wurde. Die Auflösung von Karbonatmineralen wurde als mögliche treibende Kraft der TA-Bildung identifiziert, welche durch die Auflösung von Silikatmineralen ergänzt wurde.
In Kapitel III wurde die Rolle der biogenen Karbonate für die Bodenalkalinität betrachtet. Die Untersuchungen ergaben, dass neue biogene Karbonate, in Form von Muschelschalen, im Oberboden möglicherweise nicht für die Erhöhung der TA-Produktion relevant sind. Stattdessen könnten Bodenkarbonate die primäre Quelle für die Mineralauflösung und TA-Bildung in diesem Versuchsaufbau gewesen sein. Dies könnte mit der kürzeren Wassereinwirkung und der höheren Korngröße im Boden zusammenhängen, wodurch die Muschelschalen weniger anfällig für den Auflösungsprozess waren.
Kapitel IV befasste sich mit dem Einfluss von Salzwiesenpflanzen auf die Bodenalkalinität. In Versuch I wurde die Wirkung von Spartina x townsendii und Elymus athericus auf die Bodenalkalinität bestimmt. Beide Pflanzen erhöhten die Bodenalkalinität erheblich, wobei die TA-Konzentrationen bis zu 10 mal höher waren als in nicht bepflanzten Säulen. Diese Erkenntnisse, sowie die Resultate aus Kapitel II, zeigen, dass eine hohe Säureproduktion aus veratmetem CO2 in der Rhizosphäre die Auflösung von Mineralen bewirken kann. Der relative Beitrag der Alkalinität in der Rhizosphäre durch Mineralauflösung im Vergleich zur anaeroben Atmung bleibt jedoch unbestimmt. In Versuch II wurde die, aus den Ergebnissen von Kapitel III, abgeleitete Annahme überprüft und die Rolle von Spartina x townsendii bei der Förderung der biogenen Mineralauflösung und der Alkalinitätsbildung weiter untersucht. Muschelkalk trug zur Mineralauflösung bei, wenn die pulverisierten Minerale homogen mit Salzwiesenboden vermischt wurden. Spartina x townsendii erhöhte zwar die TA-Bildung; die Zugabe zusätzlicher Minerale führte jedoch nicht zu einer Erhöhung der Alkalinität. Dies könnte mit dem Sättigungszustand der jeweiligen Karbonatminerale im abfließenden Wasser zusammenhängen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit den ersten empirischen Nachweis dafür erbringt, dass die Rhizosphäre der Pflanzen in Salzmarschen die Mineralauflösung im Boden und den Beitrag biogener Karbonate zum Alkalinitätshaushalt reguliert. Diese Ergebnisse stellen zudem die vorherrschende Ansicht der unklaren Rolle des anorganischen Kohlenstoffs in Salzmarschen in Frage und deuten darauf hin, dass die Auflösung von Karbonatmineralen wahrscheinlich der vorherrschende biogeochemische Stoffwechselweg in der, an organischer Substanz verarmten, minerogenen Salzmarsch ist. Künftige Studien sollten daher untersuchen, wie sich Stressfaktoren des Klimawandels auf die Biota der Salzmarschen in Bezug auf Bildung von Alkalinität auswirken. Gleichermaßen sollte die Rolle von Pflanzen hinsichtlich der Dynamik von anorganischem Kohlenstoff in Renaturierungsstrategien einbezogen werden. Darüber hinaus können Untersuchungen der intra- und interspezifischen Variation zwischen Pflanzen und ihren Rhizosphären unterschiedliche Auswirkungen auf die Erhöhung der Alkalinität und die Pufferkapazität der exportierten Wassers aufzeigen. Weitere Forschungsarbeiten sind für die Entwicklung eines wirksameren Renaturierungsmanagements und zur Erarbeitung von Strategien zur Eindämmung des Klimawandels von essentieller Bedeutung
Evaluierung der Leistungsfähigkeit des FASTPIX Silizium-Pixel-Sensor Technologie-Demonstrators für hochpräzise Orts- und Zeitmessung
No full textThe advancement of particle physics through current and future collider facilities pushes the boundaries of technology in HEP instrumentation. Experiments at the energy and intensity frontier focus on high-precision measurements of Standard Model physics and searches for physics beyond the Standard Model. The physics programs and operational conditions at future colliders necessitate sophisticated improvements in all detector subsystems. Detectors in the inner layers of future experiments face stringent requirements, needing to detect single ionizing particles with small (< 25 m) pixels, achieving < 3 m spatial resolution, < 100 ps time resolution, minimal material budget, and extreme radiation tolerance.
This dissertation focuses on advancing silicon vertex and tracking detectors for future high-energy physics collider detectors by demonstrating the performance of the monolithic silicon pixel sensor demonstrator FASTPIX, which was implemented in a modified 180 nm CMOS imaging process technology. The sensor features a small collection electrode design on a 25 m-thin sensitive detection layer with small pixels ranging from 8.66 m to 20 m pitch. A large parameter space of 32 minimatrices with 68 pixels each assesses the performance impact of manufacturing-process modifications and sensor-design variations previously optimized in simulations. The sensor design includes hexagonal pixels with capacitances of a few femto-farads and large signal-to-noise ratios, enabling high detection efficiency and precise timing.
The detector performance is characterized in laboratory and test beam measurements with associate developments of hardware and software for the employed test systems. Calibration measurements conclude in a nominal threshold of 60 e – 160 e with ≤ 15 e front-end noise and < 10 Hz total noise rate across all matrices. Spatial resolutions down to 1 m for the smallest-pitch matrices, a timing precision of 100 ps – 150 ps for largest-pitch matrices as well as hit detection efficiencies > 99 % are observed in test-beam for samples with process modifications for improved charge collection.
The FASTPIX results match or surpass most analog performance requirements for future pixel detectors. A larger pixel-matrix size and the integration of full front-end and readout functionality can be envisaged for future HEP applications, taking advantage of advancements in smaller feature-size CMOS processes.Fortschritt im Feld der Teilchenphysik durch aktuelle und zukünftige Kollisions-Beschleuniger treibt die technologische Entwicklung in der Instrumentierung voran. Experimente bei höchsten Energien und Intensitäten konzentrieren sich auf hochpräzise Messungen der Standardmodell-Physik und der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Die physikalischen Fragestellungen und Betriebsbedingungen zukünftiger Beschleuniger erfordern anspruchsvolle Verbesserungen in allen Detektor-Komponenten. Detektoren in den inneren Lagen zukünftiger Experimente unterliegen besonders anspruchsvollen Anforderungen. Sie müssen einzelne ionisierende Teilchen mit kleinen (< 25 m) Pixeln nachweisen, mit einer Ortsauflösung von < 3 m, einer Zeitauflösung von < 100 ps, bei einem minimalen Materialbudget und einer extremer Strahlenhärte.
Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von Silizium-Vertex- und Spur-Detektoren für zukünftige Hochenergiephysik-Detektoren und demonstriert die Leistungsfähigkeit des monolithischen Silizium-Pixel-Sensor-Demonstrators FASTPIX, der in einem modifizierten 180 nm CMOS-Prozess für bildgebende Sensoren entwickelt wurde. Das Sensordesign verfügt über kleine Ladungssammlungselektroden auf einer 25 m dünnen Detektionsschicht mit kleinen Pixelgrößen von 8.66 m bis 20 m. Ein großer Parameterraum von 32 Mini-Matrizen mit jeweils 68 Pixeln zeigt Unterschiede in der Leistungsfähigkeit des Detektors je nach jeweiliger Modifikation des Herstellungsprozesses und Designvariation des Sensors. Das Sensordesign umfasst hexagonale Pixel mit Kapazitäten von wenigen Femtofarad und großen Signal-zu-Rausch-Verhältnissen, was die Nachweis-Effizienz und präzise Zeitmessung begünstigt.
Die Leistungsfähigkeit der Detektoren wird in Labor- und Teststrahlmessungen charakterisiert, denen Entwicklungen von Hardware und Software für die verwendeten Testsysteme vorausgegangen sind. Kalibrierungsmessungen ergeben einen nominalen Detektionsschwellenwert von 60 e – 160 e bei ≤ 15 e Front-End-Rauschen und einer Frequenz von Rauschsignalen von < 10 Hz für die jeweilige Matrix. Die Ergebnisse zeigen Ortsauflösungen bis zu 1 m für die Matrizen der kleinsten Pixelgröße, eine Zeitpräzision von etwa 100 ps für die Matrizen der größten Pixelgröße sowie Detektionseffizienzen von > 99 % für die Prozessmodifikation mit verbesserter Ladungssammlung.
Die FASTPIX-Ergebnisse erfüllen oder übertreffen die meisten Anforderungen für zukünftige Pixel-Detektoren. Eine größere Pixel-Matrix und die Integration vollständiger Front-End- und Auslese-Funktionalität für zukünftige Hoch-Energie-Physik-Anwendungen wird durch gegenwärtige Entwicklungen von CMOS-Technologieknoten mit kleineren Strukturgrößen ermöglicht
Chemotaxonomische Bestimmung von Holzarten und Herkünften in Zellstoff und Papier
No full textThis work presents the development and proof of concept of a novel chemical method for wood taxa and origin identification in pulp and paper. In order to conserve nature and halt the ongoing and severe crossings of planetary boundaries such as land-system change and biosphere integrity, it is essential to combat deforestation and the loss of genetic diversity within global forests. Therefore, a variety of national and international laws have been enacted with the objective of protecting the environment. However, there is a need for science-based monitoring tools to ensure that these laws are effectively enforced in practice.
The method is based on the differentiation of wood extract profiles that remain in pulp (chemotaxonomic fingerprinting) and involves cryo-ball mill grinding and Soxtherm extraction of bleached pulp or paper samples with n-hexane, followed by thermodesorption of the dried extracts and gas chromatography - mass spectrometry (TD-GC-MS) analysis. The generated chromatograms undergo a series of pre-processing steps, including ion filtering, smoothing and peak deconvolution and are then added to the reference database (DB). The investigation of optimal configuration settings for the DB was also part of this work. The subsequent identification of samples of unknown composition is conducted through querying against the DB on three comparison parameters: marker peak scores (MPS), reverse similarity index (RSI), and matched chromatogram area (MCA). The methodology has been validated on different measuring devices. However, there is currently a partial dependence of the database query results on the measuring system. Furthermore, the novel extractant-based approach was evaluated in an independent external blind test and compared to the established anatomical identification method. The blind test comprised 38 exemplary species of mainly tropical hardwood, which were processed in unknown mixtures into 15 test sheets and provided to four participating institutes for analysis. The results demonstrate that the new chemotaxonomic method yielded outcomes that were comparable to those obtained through the morphological-anatomical method, which is currently employed for all assessments. However, both approaches show distinct strengths and weaknesses in the recognition of individual wood taxa, suggesting that a combination of both methods could potentially enhance the overall hit rate.
Another study included in this work successfully differentiated the origins of the wood genera Gonystylus and Rubroshorea and the wood species Tectona grandis in fully bleached pulps. Certain compounds responsible for the differentiation of specific geographical origins were found for every taxon. The results of the origin differentiation could be particularly useful for the verification of harvest origin declarations at border crossings of pulp and paper products, as well as for the enforcement of the Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora (CITES). Currently, this is the only method available for this purpose. A variety of optimisation possibilities of the chemotaxonomic database approach are discussed, including sample preparation techniques such as advanced tuning of the GC-MS instruments used, data processing methods such as ion filter settings and database
configuration. The outlook section outlines future prospects for further method validation on industrial samples and the potential use of machine learning for automation
LEMON Studie Hamburg zu Interventionen an der linken Koronararterie: Patientencharakteristika, prozedurale und innerklinische Ergebnisse von Patienten mit Koronarintervention am linken Hauptstamm
Get PDF
Ultramontanismo y catolicismos nacionales. Las Iglesias católicas del Perú y Chile en la guerra del Pacífico (1879-1884)
No full textLa presente tesis aborda la labor de las iglesias locales de Perú y Chile en la guerra del Pacífico (1879-1883/4). Para ello, se tiene en cuenta el proceso de romanización por el que atravesó la Iglesia Católica como institución hacia la mitad del siglo XIX. Este proceso implicó su centralización en torno a la figura y autoridad del papa como defensa frente a las políticas de gobiernos liberales en Europa y en América Latina. Este además, tuvo su sustento en la corriente teológica y política ultramontana, la cual llegó a imponerse a otras teologías católicas y a expandirse las jerarquías eclesíasticas de las iglesias locales.
La guerra supuso un desafío para la identidad de las iglesias locales de Perú y de Chile como parte de una sola Iglesia universal liderada por el papa, pues debieron apoyar las causas de sus respectivos Estados. Este apoyo estaría sustentado no solo en sus convicciones humanitarias y patrióticas, sino en la necesidad de defender sus intereses y posiciones en sus respectivas sociedades. No obstante, en el accionar de los miembros de las Iglesias locales es posible identificar cierta influencia del ultramontanismo en diferentes aspectos que son analizados en la presente investigación: en el acompañamiento ritual a los Estados y a las poblaciones locales, en las acciones humanitarias realizadas por los clérigos de ambas nacionalidades, y en la comunicación y relación sostenida con el papa por parte de autoridades religiosas y autoridades estatales.Die vorliegende Recherche beschäftigt sich mit der Arbeit der örtlichen Kirchen in Peru und Chile im Pazifikkrieg (1879-1883/4). Dabei wird der Romanisierungsprozess berücksichtigt, den die katholische Kirche als Institution gegen Mitte des 19. Jahrhunderts durchlief. Jahrhunderts durchlief. Dieser Prozess beinhaltete ihre Zentralisierung um die Figur und die Autorität des Papstes, um sich gegen die Politik der liberalen Regierungen in Europa und Lateinamerika zu wehren. Er hatte auch seine Grundlage in der ultramontanen theologischen und politischen Strömung, die sich gegenüber anderen katholischen Theologien durchsetzte und die kirchlichen Hierarchien der Ortskirchen ausbaute.
Der Krieg stellte eine Herausforderung für die Identität der Ortskirchen Perus und Chiles als Teil einer einzigen, vom Papst geführten Weltkirche dar, da sie die Anliegen ihrer jeweiligen Staaten unterstützen mussten. Diese Unterstützung würde nicht nur auf ihren humanitären und patriotischen Überzeugungen basieren, sondern auch auf der Notwendigkeit, ihre Interessen und Positionen in ihren jeweiligen Gesellschaften zu verteidigen. Allerdings lässt sich in den Aktionen der Mitglieder der Ortskirchen ein gewisser Einfluss des Ultramontanismus in verschiedenen Aspekten erkennen, die in dieser Forschung analysiert werden: in der rituellen Begleitung der Staaten und der lokalen Bevölkerung, in den von ihnen durchgeführten humanitären Aktionen die Geistlichen beider Nationalitäten sowie in der Kommunikation und Beziehung, die religiöse Autoritäten und staatliche Autoritäten mit dem Papst pflegen.This thesis deals with the work of the local churches in Peru and Chile in the War of the Pacific (1879-1883/4). To do so, it takes into account the process of Romanisation that the Catholic Church as an institution underwent towards the middle of the 19th century. This process involved its centralisation around the figure and authority of the Pope as a defence against the policies of liberal governments in Europe and Latin America. It also had its basis in the ultramontane theological and political current, which came to impose itself on other Catholic theologies and to expand the ecclesiastical hierarchies of the local churches.
The war posed a challenge to the identity of the local churches of Peru and Chile as part of a single universal Church led by the pope, as they had to support the causes of their respective States. This support would be based not only on their humanitarian and patriotic convictions, but also on the need to defend their interests and positions in their respective societies. However, in the actions of the members of the local Churches it is possible to identify a certain influence of ultramontanism in different aspects that are analyzed in this research: in the ritual accompaniment to the States and local populations, in the humanitarian actions carried out by the clerics of both nationalities, and in the communication and relationship maintained with the pope by religious authorities and state authorities
Advancements in Diffraction Analysis Methods and Data Reduction Techniques for Serial Crystallography
No full textProteins play a crucial role in living cells. Their functions are determined by their three-dimensional (3D) structure. This atomic-scale structure is usually investigated by crystallography using X-ray sources such as an X-ray tube, synchrotron or Free Electron Laser (FEL). The conventional approach to macromolecular crystallography (MX) is to acquire diffraction patterns from a crystal as it is rotated about one or more axes to get the full 3D diffraction volume of the studied crystal. The total X-ray exposure of the crystal is limited by the accumulation of damage to the protein structure and crystal lattice by ionising radiation. Cryogenic cooling reduces the processes of radiolysis and extends the dose that can be tolerated. However, such cooling may alter the macromolecular structure and prevent the ability to measure dynamical processes by time-resolved methods.
For efficient measurement at room temperature (RT) and investigating fast protein dynamics, serial crystallography (SX) comes into play. In this method, the studied crystals' 3D diffraction volume (reciprocal space) is merged from still diffraction patterns collected from small randomly oriented crystals exposed by X-rays. This technique must be capable of assembling a complete three-dimensional dataset of structure factor moduli using a large number of individual still diffraction patterns. SX enables a wide range of experiments, including measurements at room temperature, time-resolved studies on biological crystals, measuring sub-micron-sized crystals, and obtaining structures of radiation-sensitive proteins. Known problems in serial crystallography are the high threshold to enter the field, the lack of a user-friendly data processing pipeline, and the huge amount of data that must be processed and reduced to get the structure of the studied protein. This dissertation is dedicated to developing solutions for addressing the issues mentioned above.
Recent advancements in X-ray facilities, including 4th generation synchrotrons and FELs, in combination with state-of-the-art X-ray detectors, have enabled conducting SX experiments at a remarkable rate, capturing more than 1000 images per second. However, this increased acquisition rate comes with a trade-off - an enormous volume of data, with some experiments already yielding up to 5 PB of measured data. As a result, novel data reduction strategies need to be developed and implemented to handle this vast amount of information efficiently. The most common method to reduce the size of the measured data is the usage of lossless compression. The compression rate and speed of different compression algorithms available for the HDF5 library were checked using different datasets. This extensive evaluation demonstrated that lossless compression methods maintain the original data without any alteration but cannot achieve a high compression ratio. Thus, some lossy compression and data reduction are needed. For this reason, the following approaches were successfully tested on different datasets: binning, quantisation (including quantisation using a non-uniform step), and non-hits rejection. Also, it was shown that such approaches as measuring less data or storing data within the area of identified Bragg peaks in a diffraction pattern may lead to data quality degradation and, therefore, are not recommended for general use.
A set of data metrics capable of assessing the loss of information due to applying various compression schemes is used to evaluate the effect of any lossy compression schemes. Different data quality metrics are described and used for testing various data reduction schemes. A proper way to use each quality metric is also described in detail.
Notably, non-hits rejection and binning process automation have been successfully implemented into the routine data processing pipeline and tested on data collected with the TapeDrive sample-delivery method at the P11 beamline, PETRA III. Furthermore, the presented non-uniform quantisation compression technique holds potential for application in other datasets, including electron or neutron diffraction.
The enormous amount of measured data poses another challenge: it cannot be processed manually. Instead, an auto-processing pipeline has to be developed. Considering how the crystals are measured in MX and SX, the data analysis techniques differ for those two methods. Therefore, the existing pipelines used for MX are hardly applicable to the SX data. Despite significant progress in this field for SX over the past decade, establishing a universal, reliable processing pipeline compatible with different sample delivery systems remains a complex challenge. This dissertation aims to develop a well-established, robust and universally applicable data processing pipeline for SX, which constitutes the generation of various figures of merit and compiling overall statistics for proper data evaluation at each stage of data processing and for publishing purposes. Multiple experiments at FELs and synchrotrons were processed during the work on the dissertation, and some of the results are presented to illustrate the benefits of using the developed algorithms. This dissertation emphasised data with observable undesirable features, such as the presence of ice rings and salt reflections. To address these issues, a special software package was developed and used as a part of the developed data processing pipeline. This automatic data processing pipeline has been implemented in the control system of a drug-screening P09 beamline, PETRA III. This dissertation outlines a strategy to optimise SSX beamtimes using fixed-target sample delivery methods like chips. The approach involves two key steps: initially, a rapid raster scan of the chip identifies crystal positions via diffraction, followed by measuring a rotational series at these positions within a small range of angles. This method efficiently avoids empty positions during data acquisition, saving precious beam time and reducing data volume. It is particularly effective when the chip has few crystals, common with challenging-to-crystallise proteins. This approach is critical for maximising crystal utilisation and enhancing the likelihood of successfully determining protein structures.
The dissertation contributes to the advancement of serial crystallography by establishing a reliable data processing and reduction framework, ensuring the reproducibility and reliability of obtained final results. Developed strategies open up new possibilities for carrying out the experiments in an efficient way and overcoming the problem with data storage
Wertorientierte digitale soziale Innovation für marginalisierte Menschen: Entwurf, Gestaltung und Reflexion eines Konzepts zur Unterstützung von Menschen, die von Obdachlosigkeit betroffen sind
No full textLife in our current society has a multitude of challenges—among them poverty, inequality, and homelessness. Many organizations and individuals are working on addressing these challenges—from small local groups to the United Nations. In an attempt to outline the most significant and impactful challenges, the latter formulated the sustainable development goals (SDGs).
A recent research field that addresses societal challenges through information and communication technologies (ICT) is digital social innovation (DSI). The designs of DSI applications vary according to their contexts and objectives, and their goals are often oriented toward the SDGs. While DSIs can assist in addressing societal challenges, they cannot provide a complete solution.
The design and development of DSIs are associated with great responsibility because they can have a profound impact on the living conditions of individuals and their environments. This responsibility is especially important when working with marginalized individuals because they are often subjected to societal prejudices, and their needs receive little attention. However, while DSI researchers are increasingly becoming aware of the responsibility of their work, little research has been conducted on ethical issues associated with working with marginalized people. To close this research gap, it is necessary to account more strongly for ethical issues—such as ethical dilemmas or value conflicts—that may arise among stakeholders during the development or use of such technologies. The consideration of values contributes to the necessity of co-created active inscription of values [1] in technology (i.e., in DSIs).
In this dissertation, which is grounded in the fields of DSI and information systems (IS) [2] , I suggest that the research field of value sensitive design (VSD) offers suitable methods to adequately address such ethical issues in a way that DSI does not currently do on its own. In pursuit of my aim, I recognize that VSD provides methods for taking into account the values of different direct and indirect stakeholders. These methods range across empirical, conceptual, and technological investigations. VSD proposes that existing entanglements between stakeholders and values need to be addressed through the methods so that ethical issues can be detected, addressed, and hopefully even resolved through value inscription.
Despite its potential, the connection between the multidisciplinary fields of DSI and VSD has not yet been explored extensively. In this dissertation, this research gap is addressed by applying a proactive, design-oriented IS approach called action design research (ADR) based on a specific DSI project called OpenStreetPay. Furthermore, phenomenon-driven research (PDR) is also utilized and complements the overall ADR approach.
The OpenStreetPay project is a grassroots volunteer project accompanied and shaped by research. Its aim is to enable digital donations to and payments for people who experience homelessness and to ensure that they do not face additional difficulties in an increasingly cashless society. The project seeks to step in where institutional solidarity seems to fail in Germany. It strives to help people who feel little heard in society and who lack the digital means to receive donations and make payments. During the development of the project’s digital application concept, ethical issues were discovered within the DSI ecosystem, for example, when it came to deciding who should receive aid. These are the ethical issues to which this dissertation devotes particular attention through its approach of connecting DSI and VSD.
Based on the ADR research and work in this project, I extend DSI research and design by employing results from VSD together with insights from participatory and ethically responsible work with marginalized people. This extension is developed and illustrated by answering five central research questions (RQs) that address the design, implementation, and evaluation of value-sensitive DSI applications, as well as shaping the newly coined research field of value-sensitive DSI proposed in this dissertation. In the following section, I summarize the results in relation to the respective RQs.
(1) Why should DSI for marginalized individuals be designed in a value-sensitive way?
In this dissertation, I develop argumentation for the need for value sensitivity in DSI design and implementation and clarify and define the newly coined term of value-sensitive DSI applications.
(2) How can value-sensitive DSI for marginalized individuals (using the example of humans experiencing homelessness) be designed?
This dissertation derives design principles for the design of a value-sensitive DSI application for marginalized people, especially those experiencing homelessness. They were developed by reflecting on design decisions in the OpenStreetPay ADR project and were iteratively generalized by knowledge gained from a meta-study identifying and analyzing 118 DSI applications in the field of digital homelessness support from different countries worldwide.
(3) How can research and design methods (be extended to) support the development of value-sensitive DSI?
The results of this thesis comprise design principles for selecting and adapting design methods from DSI and VSD, thus supporting the combination of contributions from both fields in the development of value-sensitive DSI applications. At the same time, insights for enhancing IS research methods by value sensitivity (especially ADR) were gained and the first steps elaborated, paving the way for further ADR or researchers to be involved in providing value-sensitive DSI applications.
(4) How can the societal impact of a value-sensitive DSI in accordance with its pursued values be reflected and evaluated?
For answering this question, a multilevel framework for human-value-oriented DSI ecosystems was developed supporting the reflections of value inscriptions on different and interrelated layers of the DSI ecosystem. On this basis, evaluation of different factors and their possible intertwinement can be guided transparent. Furthermore, the evaluation with marginalized people carried out in the OpenStreePay project led to complementing evaluation approaches by insights from additional research fields (see below).
(5) Why and how should DSI for marginalized individuals be designed in a value-sensitive way?
Revision and extension of the first RQ led to the development and postulation of a research agenda for the newly coined research field, shaping four dimensions for further research: (i) reflective value-sensitive goal-setting, (ii) an extended research method and shaping of research conditions, (iii) consideration of stakeholder values and possible discrimination, and (iv) value-sensitive DSI development.
With these findings, this dissertation simultaneously contributes to the DSI and VSD fields as well as to research on working with marginalized people.
First, the thesis extends DSI research with a novel approach to responsible design and research, especially value orientation and value inscription. With my research, I demonstrate how a significant and urgent societal challenge can be addressed in practice and research.
Second, this dissertation improves on the proactive technical investigation of VSD through performing empirical, conceptual, and technical investigations in the context of OpenStreetPay and by leveraging insights from DSI and IS research, particularly ADR, for such technical investigations.
Third, specific characteristics of DSI research with marginalized individuals were identified, particularly research with those experiencing homelessness. These aspects comprise the necessity for multidisciplinary research to ensure that the voices of marginalized people are heard in the research process and the design. In my thesis, I therefore align my DSI research with responsibility toward the target group, for example, by considering the challenges and prejudices that arise from people’s living and housing situations.
Since this research was shaped by various impulses from both the OpenStreetPay project and the topics and results from different research, there was a need to create transparency about the research journey. To do so, the origins of the research ideas, questions, and contributions had to be clarified. Hence, a reflection on the research journey, which (a) highlights where the respective impulses for the individual papers came from, (b) illustrates the influence of multidisciplinary research, and (c) clarifies how I sharpened my value-sensitive DSI approach throughout the research progress, is developed. This research journey can also be viewed as an additional contribution of this dissertation. It guides the reflection on the research process and can serve as a model and enrichment for further ADR approaches and projects. Additionally, a tool supporting collaboration among different research teams throughout the evolving research journey and for transferring insights from the OpenStreetPay progress was developed and applied.
This dissertation is one of numerous attempts in the fields of DSI and VSD aiming to contribute to shaping the world sustainably. However, further proactive and design-oriented research is still needed to meet arising societal challenges with appropriate and informed strategies for solutions. I close the dissertation by making suggestions for what such future research could look like.
[1] Here, my understanding of value follows Friedman and Hendry (2019, p. 24) in understanding a value as something that “is important to people in their lives, with focus on ethics and morality.” Examples of values are human welfare or freedom from bias.
[2] My research on DSI applications has its origins in IS research and has been expanded to include additional aspects of the multidisciplinary DSI research field. For this reason, I use DSI as an umbrella term for the research field that encompasses IS research for DSI. At certain points, IS research will be explicitly mentioned (e.g., when referring to specific extensions of IS research methods).Das Leben in unserer heutigen Gesellschaft ist mit einer Vielzahl von Herausforderungen verbunden. Darunter fallen beispielsweise Armut, Ungleichheit und Obdachlosigkeit. Viele Organisationen und Einzelpersonen — von kleinen lokalen Gruppen bis hin zu den Vereinten Nationen — arbeiten daran, diesen Herausforderungen zu begegnen. Die Vereinten Nationen haben hierzu die Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs) formuliert, um die wichtigsten und folgenreichsten Herausforderungen zu umreißen.
Ein neu aufkommendes Forschungsgebiet, das sich mit der Adressierung der gesellschaftlichen Herausforderungen mittels Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) befasst, ist das Forschungsgebiet der digitalen sozialen Innovation (DSI). DSI-Anwendungen sind je nach Kontext und Zielsetzung unterschiedlich gestaltet und orientieren sich häufig an den SDGs. DSI können bei der Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen helfen, aber keine vollständige Lösung für sie bieten.
Die Gestaltung und Entwicklung von DSIs ist mit großer Verantwortung verbunden. DSIs können tiefgreifende Auswirkungen auf die Lebensbedingungen von Menschen und ihre Umwelt haben. Die Verantwortung ist besonders relevant, wenn mit marginalisierten Menschen gearbeitet wird. Diese Menschen sind oft mit gesellschaftlichen Vorurteilen konfrontiert und ihre Bedürfnisse werden weniger beachtet. Obwohl sich DSI-Forschende zunehmend der Verantwortung ihrer Arbeit bewusst sind, gibt es bisher wenig Forschung zu ethischen Herausforderungen in der Arbeit mit marginalisierten Personen. Um diese Forschungslücke zu schließen ist es notwendig ethische Herausforderungen, die bei der Entwicklung oder Anwendung solcher Technologien auftreten können, stärker zu berücksichtigen. Ethische Herausforderungen sind dabei beispielsweise ethische Dilemmata oder Wertkonflikte. Die Berücksichtigung von Werten [1] trägt dazu bei, dass Werte aktiv in Technologien (d.h. in die DSI) eingeschrieben werden.
In dieser Dissertation, die in den Bereichen DSI und Information Systems (IS) [2] angesiedelt ist, wird daher das Forschungsfeld des Value Sensitive Design (VSD) als geeigneter Ansatz identifiziert, um diese ethischen Herausforderungen auf eine Weise zu behandeln, die die DSI-Forschung allein derzeit nicht leisten kann. Bei der Verfolgung dieses Ziels wurde herausgearbeitet, dass VSD Methoden zur Verfügung stellt, die Werte verschiedener direkter und indirekter Interessengruppen berücksichtigen. Diese Methoden umfassen empirische, konzeptionelle und technologische Untersuchungen. VSD-Forschende stellen dabei heraus, dass bestehende Verbindungen zwischen Stakeholdern und Werten mit Hilfe der Methoden berücksichtigt werden müssen, damit ethische Herausforderungen erkannt, angegangen und hoffentlich durch die Einbeziehung von Werten gelöst werden können.
Trotz seines Potenzials ist die Verbindung zwischen den multidisziplinären Bereichen DSI und VSD noch nicht umfassend erforscht worden. In dieser Dissertation wird diese Forschungslücke geschlossen, indem die proaktive, designorientierte IS-Forschungsmethode Action Design Research (ADR) in einem spezifischen DSI-Projekt namens OpenStreetPay angewendet wird. Darüber hinaus wird Phenomenon-Driven Research (PDR) verwendet, um den ADR-Ansatz zu ergänzen.
Das OpenStreetPay-Projekt ist ein ehrenamtliches sowie wissenschaftlich begleitetes und mit gestaltetes Grassroots-Projekt. Das Projektziel besteht darin digitales Spenden und Bezahlen für Menschen, die von Obdachlosigkeit betroffen sind, zu ermöglichen. Dabei möchte das Team sicherstellen, dass obdachlose Mitmenschen in einer zunehmend bargeldlosen Gesellschaft nicht mit zusätzlichen Schwierigkeiten konfrontiert werden. Das Projektteam setzt dort an, wo die institutionelle Solidarität in Deutschland zu versagen scheint. Es will Menschen helfen, die sich in der Gesellschaft wenig gehört fühlen und denen die digitalen Möglichkeiten fehlen, Spenden zu empfangen und Zahlungen zu leisten. Während der Projektentwicklung des digitalen Konzeptes wurden innerhalb des DSI-Ökosystems ethische Fragen aufgeworfen, z.B. wem geholfen werden soll. Diese ethischen Fragen werden in der vorliegenden Dissertation durch die Verbindung von DSI und VSD besonders berücksichtigt.
Auf der Grundlage der ADR-Forschung und der Arbeit in diesem Projekt wird die DSI-Forschung und -Gestaltung erweitert, indem die Ergebnisse aus dem VSD zusammen mit Erkenntnissen aus der partizipativen und ethisch verantwortlichen Arbeit mit marginalisierten Menschen verwendet und integriert werden. Diese Erweiterung wird durch die Beantwortung von fünf zentralen Forschungsfragen entwickelt und illustriert, die sich auf das Design, die Gestaltung sowie die Evaluation von wertebasierten DSI-Anwendungen beziehen und den neuen Forschungsbereich der wertebasierten DSI postulieren, welcher in dieser Dissertation vorgeschlagen wird. Im folgenden Abschnitt werden die Ergebnisse in Bezug auf die einzelnen Forschungsfragen zusammengefasst.
(1) Warum sollte eine DSI für marginalisierte Personen wertesensibel gestaltet werden?
In dieser Dissertation wird eine Argumentation für die Notwendigkeit von Wertesensitivität bei der Gestaltung und Umsetzung von DSI entwickelt sowie der neu geprägte Begriff der wertesensitiven DSI-Anwendungen definiert.
(2) Wie kann eine wertesensible DSI für marginalisierte Personen (am Beispiel von Menschen, die von Obdachlosigkeit betroffen sind) gestaltet werden?
In dieser Dissertation werden Designprinzipien für die Gestaltung einer wertesensiblen DSI-Anwendung für marginalisierte Menschen abgeleitet, insbesondere für Menschen, die von Obdachlosigkeit betroffen sind. Sie wurden durch die Reflexion von Designentscheidungen im OpenStreetPay ADR-Projekt entwickelt und iterativ durch Erkenntnisse aus einer Metastudie generalisiert. Die Metastudie beinhaltet dabei die Identifizierung und Analyse von 118 DSI-Anwendungen im Bereich der digitalen Obdachlosenhilfe aus verschiedenen Ländern weltweit.
(3) Wie können Forschungs- und Designmethoden erweitert werden, um die Entwicklung von wertsensitiven DSI zu unterstützen?
Die Ergebnisse dieser Arbeit beinhalten Designprinzipien für die Auswahl und Anpassung von Gestaltungsmethoden aus DSI und VSD mit dem Ziel, die Kombination von Beiträgen aus beiden Bereichen bei der Entwicklung von wertesensiblen DSI-Anwendungen zu unterstützen. Gleichzeitig werden Erkenntnisse für die Erweiterung von IS-Forschungsmethoden um Wertesensitivität (insbesondere ADR) gewonnen und erste Schritte erarbeitet, die den Weg für weitere ADR-Forschung und -Forschende für die Bereitstellung von wertesensitiven DSI-Anwendungen ebnen sollen.
(4) Wie kann die gesellschaftliche Wirkung einer wertesensiblen DSI entsprechend der verfolgten Werte reflektiert und bewertet werden?
Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein Multilevel Framework für wertorientierte DSI-Ökosysteme entwickelt, welches die Reflexion von Werteinschreibungen auf verschiedenen und miteinander verknüpften Ebenen des DSI-Ökosystems unterstützt. Auf dieser Grundlage soll die Bewertung der verschiedenen Faktoren und ihrer möglichen Verflechtung transparent gemacht werden. Darüber hinaus wurden durch die im OpenStreePay-Projekt durchgeführte Evaluation mit marginalisierten Menschen Evaluationsansätze durch Erkenntnisse aus weiteren Forschungsfeldern ergänzt (siehe unten).
(5) Warum und wie sollte eine DSI für marginalisierte Personen wertesensibel gestaltet werden?
Die Überarbeitung und Erweiterung der ersten Forschungsfrage führte zur Entwicklung und Postulierung einer Forschungsagenda für das neu geprägte Forschungsfeld, die vier Dimensionen für die weitere Forschung beinhaltet: (i) Zu reflektierende wertesensible Zielsetzung, (ii) Erweiterung bestehender Forschungsmethoden und Gestaltung der Forschungsbedingungen, (iii) Berücksichtigung von Stakeholder-Werten und möglicher Diskriminierung und (iv) Wertesensible DSI-Entwicklung.
Mit diesen Erkenntnissen leistet diese Dissertation gleichzeitig einen Beitrag zur DSI- und VSD-Forschung sowie zur Forschung mit marginalisierten Menschen.
Erstens wird in dieser Dissertation die DSI-Forschung um einen neuartigen Ansatz zur verantwortungsvollen Gestaltung und Forschung, insbesondere zur Wertorientierung und Werteinschreibung, erweitert. Dabei zeigt diese Forschungsarbeit, wie eine bedeutende und dringende gesellschaftliche Herausforderung in Praxis und Forschung adressiert werden kann.
Zweitens wird mit dieser Dissertation die proaktive technische Untersuchung von VSD durch Erkenntnisse aus der DSI- und IS-Forschung substanziell ergänzt, insbesondere durch den Einsatz von ADR für die technische Untersuchung. Weitere Ergänzungen sind für die empirische, konzeptionelle und technische Untersuchungen im Kontext von OpenStreetPay erprobt worden.
Drittens wurden spezifische Charakteristiken der DSI-Forschung mit marginalisierten Personen identifiziert, insbesondere für die Forschung mit Menschen, die von Obdachlosigkeit betroffen sind. Diese Aspekte umfassen insbesondere die Notwendigkeit der multidisziplinären Forschung, um sicherzustellen, dass die Stimmen marginalisierter Menschen im Forschungsprozess und im Design von DSI-Anwendungen gehört werden. In dieser Dissertation wird daher die DSI-Forschung an der Verantwortung gegenüber der Zielgruppe ausgerichtet, indem zum Beispiel die Herausforderungen und Vorurteile berücksichtigt werden, die sich aus der Lebens- und Wohnsituation der Menschen ergeben.
Da diese Forschung durch verschiedene Impulse sowohl aus dem OpenStreetPay-Projekt als auch durch Themen und Ergebnisse aus anderen Forschungsarbeiten geprägt wurde, war es notwendig, Transparenz über den Forschungsweg zu schaffen. Dazu wurden die Ursprünge der Forschungsideen, -fragen und -beiträge reflektiert. Die Reflektion über den Forschungsweg umfasst dabei (a), woher die jeweiligen Impulse für die einzelnen Paper kamen, (b) die Verdeutlichung des Einflusses multidisziplinärer Forschung und (c) die Schärfung des wertesensiblen DSI-Ansatzes im Laufe des Forschungsprozesses. Die Reflektion des Forschungsweges kann als zusätzlicher Beitrag dieser Dissertation betrachtet werden. Sie unterstützt die Reflektion über den Forschungsprozess und kann als Anleitung und Bereicherung für weitere ADR-Ansätze und -Projekte dienen. Darüber hinaus wurde ein Tool entwickelt und angewendet, das die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungsteams während des gesamten Forschungsprozesses und den Transfer von Erkenntnissen aus dem OpenStreetPay-Fortschritt unterstützt.
Diese Dissertation ist einer von zahlreichen Versuchen in den Bereichen DSI und VSD, die darauf abzielen, einen Beitrag zur nachhaltigen Gestaltung der Welt zu leisten. Es bedarf jedoch noch weiterer proaktiver und designorientierter Forschung, um den bestehenden gesellschaftlichen Herausforderungen mit angemessenen und fundierten Lösungsstrategien zu begegnen. Die Dissertation wird mit Vorschlägen, wie eine solche zukünftige Forschung aussehen könnte, abgeschlossen.
[1] Das Verständnis von Werten dieser Dissertation folgt Friedman und Hendry (2019, S. 24), die einen Wert als etwas verstehen, das „für Menschen in ihrem Leben wichtig ist, mit Schwerpunkt auf Ethik und Moral“. Beispiele für Werte sind das menschliche Wohlergehen oder die Freiheit von Vorurteilen.
[2] Meine Forschung zu DSI-Anwendungen hat ihren Ursprung in der IS-Forschung und wurde um zusätzliche Aspekte des multidisziplinären DSI-Forschungsfeldes erweitert. Aus diesem Grund verwende ich DSI als Oberbegriff für das Forschungsfeld, das die