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Cytotoxicity of T cells induced by recoverin-based fusion protein against tumor cells
Get PDFBackground: Cancer remains the leading cause of mortality and a significant barrier to increasing life expectancy. Despite significant advancements in surgical and chemoradiotherapy techniques, their efficacy in prolonging cancer patient survival is limited. Moreover, treatment effectiveness is further compromised by surgical relapse, distant metastasis, and the development of drug resistance. In recent years, the emergence of immunotherapy as a novel treatment strategy has shown promising results in addressing these challenges. Among the various immunotherapeutic approaches, tumor vaccines have gained considerable attention due to their specificity, accessibility, and minimal side effects. Consequently, there is great interest among researchers in identifying tumor vaccines with high immunogenicity. One such potential candidate is Recoverin, an autoantigen primarily found in the retinal tissue, specifically localized within the blood-retina barrier. Notably, abnormal accumulation of Recoverin has been observed in several tumor cell types, triggering a robust immune response that targets the tumor cells. Additionally, high expression levels of Recoverin protein in tumor patients have been associated with favorable prognoses, suggesting its potential as a cancer vaccine. Furthermore, heat shock protein 70 (HSP70) possesses natural adjuvant properties and is believed to enhance the immunogenicity of self-antigens.
Methods: In our previous research, we demonstrated that fusion of Recoverin with HLA class I and II epitopes of HSP70 protein stimulates the activation of dendritic cells (DCs) and CD8+ T cells. In this study, we aim to further investigate the proliferative capacity and anti-tumor cytotoxic effects of T cells induced by the Recoverin fusion protein. To assess T cell proliferation, DCs induced by the Recoverin fusion protein will be co-cultured with CFSE-labeled T cells, and flow cytometry will be employed to detect proliferation signals. Additionally, we co-cultured DCs induced by the Recoverin fusion protein with T cells, followed by co-culturing with Y79 cells after a two-week period. The percentage of 7-AAD+ Y79 cells, measured by flow cytometry, will be utilized as an indicator of the anti-tumor efficacy induced by the Recoverin fusion protein.
Results: Our results demonstrate that co-culturing DCs induced by the Recoverin fusion protein with T cells leads to a significant CFSE signal, indicating robust T cell proliferation. Furthermore, when these T cells are subsequently co-cultured with Y79 cells, a higher percentage of 7-AAD+ signals originating from Y79 cells is detected, suggesting an enhanced cytotoxic effect.
Conclusion: In comparison to the separate administration of Recoverin peptides or HSP70, the Recoverin fusion protein exhibits superior immunogenicity, highlighting its potential as an cancer vaccine
Understanding cloud droplet size distributions from multi-angle polarimetric observations
Get PDFEarth’s energy balance is strongly influenced by clouds, aerosol, and aerosol–cloud interactions, which still represent a major source of uncertainty in current climate predictions. Key cloud microphysical parameters are the cloud droplet size distribution, which determines the optical properties, and the droplet number concentration, which is linked to the number of cloud condensation nuclei. Since commonly used methods that retrieve these parameters from passive remote sensing measurements are subject to large uncertainties, the development of new retrieval techniques is required.
The aim of this work is to derive the droplet size distribution and droplet number concentration from observations of the airborne camera system specMACS (spectrometer of the Munich Aerosol Cloud Scanner) measured during the EUREC4A (ElUcidating the RolE of Cloud-Circulation Coupling in ClimAte) campaign in order to study the vertical development of cloud microphysical properties and the role of entrainment for shallow cumulus clouds in the trade-wind region. For this purpose, a novel droplet size distribution retrieval was developed. The method is based on polarized measurements of the cloudbow, which, similar to the better-known rainbow, is formed through scattering of sunlight by spherical particles such as droplets in liquid water clouds, and is sensitive to the effective radius (reff) and to the width of the size distribution defined by the effective variance (veff). Since the cloudbow is a single scattering phenomenon, it is strongly polarized and therefore very well visible in the 2-D polarization measurements of the specMACS camera. The developed cloudbow retrieval involves collecting measurements of the same target on a cloud from various angles when flying over a cloud field, thereby generating an angle-resolved signal of the cloudbow. By fitting a lookup table of previously simulated polarized cloudbow signals for different droplet size distributions to the measured data, the effective radius and the effective variance are determined at a spatial resolution of about 100 m. By using polarized measurements, multiple-scattering contributions in the signal and thus, retrieval uncertainties are minimized. A model-based evaluation demonstrates the high accuracy of the retrieval results with an absolute average difference of (−0.2 ± 1.30) µm in reff and (0.02 ± 0.05) in veff (Volkmer et al., 2023). The high quality of the retrieved droplet size distribution allows the droplet number concentration to be derived by a method usually applied to satellite data assuming a sub-adiabatic cloud profile which links the cloud droplet number to the retrieved cloud optical depth and effective radius.
A statistical analysis of the cloud droplet size distributions measured during the EUREC4A campaign is presented, showing a median effective radius of 10.2 µm ± 4.2 µm and a median effective variance of 0.1 ± 0.04. In addition, the variation of the droplet size distribution with the dominant mesoscale cloud situation categorized into four patterns is studied. The largest droplets are found in “fish” clouds, which are commonly associated with precipitation, and particularly small droplets appear in “sugar” clouds consisting of non-precipitating shallow cumuli. The high spatial resolution of the specMACS data further allows to study the effect of mixing of dry air at the cloud edges on the derived droplet size distributions, a factor influencing cloud growth and precipitation likelihood.
For this study, the dataset was divided into points near the cloud edge, and points from the cloud center. The analysis shows that the cloud center tends to have larger effective radii, lower effective variances, and higher droplet number concentrations compared to the cloud edge, which matches recent theoretical considerations.
In summary, the results demonstrate that the cloudbow method provides the droplet size distribution with an accuracy high enough to quantify the cloud droplet number concentration and to study entrainment effects on cloud microphysical properties.Die Energiebilanz der Erde wird stark von Wolken, Aerosol und Aerosol-Wolken- Wechselwirkungen beeinflusst, die immer noch eine große Unsicherheitsquelle für aktuelle Klimavorhersagen darstellen. Wesentliche mikrophysikalische Wolkenparameter sind die Größenverteilung der Wolkentröpfchen, die die optischen Eigenschaften bestimmt, und die Tröpfchenanzahlkonzentration, die von der Zahl der Wolkenkondensationskerne abhängt. Da die üblicherweise verwendeten passiven Fernerkundungsmethoden zur Ermittlung dieser Parameter große Unsicherheiten aufweisen, ist die Entwicklung neuer Verfahren erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, die Tröpfchengrößenverteilung und Anzahlkonzentration aus Beobachtungen des flugzeuggestützten Kamerasystems specMACS (spectrometer of the Munich Aerosol Cloud Scanner) abzuleiten, die während der EUREC4A (ElUcidating the RolE of Cloud-Circulation Coupling in ClimAte) Kampagne gemessen wurden. Daraus sollen die vertikale Entwicklung der mikrophysikalischen Eigenschaften und die Rolle der Einmischung trockener Luft in flache Kumuluswolken in der Passatwindregion untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiges Verfahren zur Ermittlung der Tröpfchengrößenverteilung entwickelt. Es basiert auf Messungen des Wolkenbogens, der ähnlich wie der besser bekannte Regenbogen durch die Streuung des Sonnenlichts an sphärischen Partikeln wie Tröpfchen in Flüssigwasserwolken entsteht und sensitiv auf den effektiven Radius (reff) und die effektive Varianz (veff) reagiert. Letztere definiert die Breite der Größenverteilung. Da der Wolkenbogen ein Einfachstreuphänomen ist, ist er stark polarisiert und daher in den 2-D-Polarisationsmessungen der specMACS-Kamera sehr gut sichtbar. Das entwickelte Wolkenbogenverfahren kombiniert Messungen derselben Wolke aus verschiedenen Winkeln, die beim Überflug über ein Wolkenfeld aufgenommen wurden. Dadurch wird ein winkelaufgelöstes Signal des Wolkenbogens erzeugt. Eine Lookup-Tabelle von bereits simulierten Polarisationssignalen für unterschiedliche Tröpfchengrößenverteilungen wird an die Messdaten gefittet, um den effektiven Radius und die effektive Varianz bei einer räumlichen Auflösung von etwa 100 m zu bestimmen. Durch die Verwendung von Polarisationsmessungen werden die Anteile der Mehrfachstreuung am Signal und damit die Unsicherheiten des Verfahrens minimiert. Eine Modellstudie zeigt die hohe Genauigkeit der Ergebnisse mit einer absoluten mittleren Abweichung von (−0.2 ± 1.30) µm in reff und (0.02 ± 0.05) in veff (Volkmer et al., 2023). Diese hohe Genauigkeit der abgeleiteten Tröpfchengrößenverteilung erlaubt es, die Tröpfchenanzahlkonzentration unter Verwendung einer Methode zu ermitteln, die üblicherweise auf Satellitendaten angewendet wird und ein subadiabatisches Wolkenprofil voraussetzt, das die Tröpfchenzahl mit der ermittelten optischen Wolkentiefe und dem effektiven Radius verknüpft. Es wird eine statistische Analyse der während der EUREC4A Kampagne gemessenen Wolkentröpfchengrößenverteilungen präsentiert, die einen mittleren effektiven Radius von 10.2 µm ± 4.2 µm und eine mittlere effektive Varianz von 0.1 ± 0.04 zeigt. Zusätzlich wird untersucht, wie die Tröpfchengrößenverteilung mit der vorherrschenden mesoskaligen Wolkensituation variiert, die in vier verschiedene Wolkenkategorien eingeteilt wird. So finden sich die größten Tröpfchen in den „Fish“-Wolken, die auch mit Niederschlag assoziiert sind, und besonders kleine Tröpfchen in „Sugar“-Wolken. Diese bestehen typischerweise aus flachen Kumuluswolken, in denen sich nur selten Niederschlag bildet. Die hohe räumliche Auflösung der specMACS-Daten ermöglicht es außerdem, die Auswirkungen der Einmischung trockener Luft an den Wolkenrändern auf die abgeleiteten Tröpfchengrößenverteilungen zu untersuchen. Dies ist ein Faktor, der das Wolkenwachstum und die Niederschlagswahrscheinlichkeit beeinflusst. Für diese Studie wurde der Datensatz in Punkte in der Nähe des Wolkenrandes und in Punkte aus dem Wolkenzentrum unterteilt. Die Analyse ergibt, dass das Wolkenzentrum im Vergleich zum Wolkenrand tendenziell größere effektive Radien, geringere effektive Varianzen und höhere Tröpfchenanzahlkonzentrationen aufweist. Diese Beobachtungen stimmen mit theoretischen Überlegungen überein.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass mit der Wolkenbogenmethode die Tröpfchengrößenverteilung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, sodass eine Quantifizierung der Tröpfchenanzahlkonzentration in der Wolke möglich ist und der Einfluss von Mischungsprozessen auf die mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken untersucht werden kann
Effects of magnetic field, doping and local strain on excitons in two-dimensional semiconductors
Get PDFTwo-dimensional materials are nanostructures that consist of atomically thin sheets of layered materials.
An important subgroup are semiconducting transition metal dichalcogenides, which in the limit of a single layer exhibit a transition from an indirect to a direct band gap.
These materials show multiple unique optical properties such as a strong light-matter interaction, strongly bound excitons and circular dichroism.
In this thesis, mono- and bilayers of tungsten diselenide and tungsten disulfide were studied using optical spectroscopy.
First, the spectrum of a charge tunable mono- and bilayer of tungsten diselenide was studied in magnetic field to characterize the exciton spectral lines in the neutral and negatively charged regime.
These measurements were complemented by a theoretical model based on density functional theory, which is able to calculate the magnetic shift throughout the Brillouin zone.
These numerical calculations showed excellent quantitative agreement with previous reports and extend those models by providing predictions for momentum-indirect excitons.
Next, these findings were used to study the spectrum of monolayer tungsten disulfide.
A sample was embedded in a field effect structure made from graphene, which achieved negative, neutral as well as positive charge carrier concentrations.
It was shown, that apart from a shift in the band gap energy, the exciton spectrum can be described analogously to tungsten diselenide.
Finally, the behavior of a suspended monolayer of tungsten diselenide was studied under local strain.
Using a low temperature atomic force microscope based on a quartz tuning fork with a transparent diamond tip, real-time measurement of the photoluminescence spectrum at simultaneous application of local force was achieved.
It was shown that under local action of the tip the spectrum exhibits a redshift, characteristic for tensile strain.
At high force, the brightening of dark excitons through the hybridization of dark excitons with localized states was observed.
At even higher force, the tip caused a spontaneous and permanent deformation of the sample structure while the spectrum changed to a set of narrow, bright spectral lines, some of which remained present after release of the tip.Zweidimensionale Materialien sind Nanostrukturen, die aus wenigen Lagen geschichteter Materialien hergestellt werden.
Eine wichtige Untergruppe stellen halbleitende Übergangsmetalldichalkogenide dar, die im Extremfall einer Einzellage einen Übergang zu einem direkten Halbleiter erfahren.
Diese Materialien zeigen mehrere einzigartige optische Eigenschaften wie starke Licht-Materie-Wechselwirkung, stark gebundene Exzitonen und zirkularen Dichroismus.
In dieser Arbeit wurden Einzel- und Doppellagen aus Wolframdiselenid und Wolframdisulfid mithilfe optischer Spektroskopie untersucht.
Zunächst wurde das Spektrum einer ladungsdurchstimmbaren Einzel- und Doppellage aus Wolframdiselenid im Magnetfeld untersucht um deren Spektrallinien im neutralen und negativ geladenen Regime durch ihre charakteristische Aufsspaltung zu charakterisieren.
Diese wurde mit einem theoretischen Modell auf Basis von Dichtefunktionaltheorie verglichen, welches es erreicht, die magnetische Verschiebung innerhalb der gesamten Bandstruktur zu berechnen.
Die numerischen Berechnungen zeigen exzellente quantitative Übereinstimmung mit vorangegangenen Studien und erweitern diese um Vorhersagen für impulsindirekte Exzitonen.
Anschließend wurden diese Erkenntnisse angewandt um das Spektrum von einzellagigem Wolframdisulfid zu untersuchen welches in eine Feldeffektstruktur aus Graphen eingebettet wurde.
Dadurch wurde es erreicht, sowohl negative als auch positive Ladungsträgerkonzentrationen zu induzieren.
Es wurde gezeigt, dass das Spektrum sich unter Berücksichtigung der größeren Bandlücke analog zu dem von Wolframdiselenid verhält.
Zuletzt wurde das Verhalten einer freitragenden Einzellage aus Wolframdiselenid unter lokalen Verspannungen untersucht.
Mithilfe eines kryogenen Rasterkraftmikroskops, bestehend aus einer Quarzstimmgabel und einer daran befestigten transparenten Diamandspitze, wurde es erreicht, in Echtzeit unter punktueller Krafteinwirkung das Photolumineszenzspektrum zu vermessen.
Es zeigte sich, dass unter lokaler Einwirkung der Spitze das Spektrum eine Rotverschiebung erfährt, die für Zugverspannung charakteristisch ist.
Bei hoher Verschiebung wurde eine Aufhellung dunkler Exzitonen durch Hybridisierung von dunklen Exzitonen mit lokalisierten Zuständen beobachtet.
Bei noch höherer Krafteinwirkung verursachte die Spitze eine spontane und permanente Verformung der Probenstruktur, während das Spektrum in eine Gruppe schmaler, hell leuchtender Spektrallinien zerfiel, die auch nach Beendigung der Krafteinwirkung sichtbar blieben
Supermassive black hole spin evolution in cosmological simulations
Get PDFEs gibt überzeugende Indizien dafür, dass die meisten Galaxien in unserem Universum ein supermassereiches Schwarzes Loch (SMBH) in ihrem Zentrum beherbergen. Wenn das zentrale SMBH Gas aus seiner Umgebung akkretiert, gibt es große Mengen an Energie an die Umgebung ab. Solche akkretierenden SMBHs werden allgemein als Aktive Galaktische Kerne (AGN) bezeichnet. Es wurde mittlerweile festgestellt, dass sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen, durch das sogenannte AGN-Feedback. Die gemeinsame Entwicklung von SMBHs und ihren Galaxien ist ein komplexes, multi-Skalen Problem und beinhaltet das hochgradig-nichtlineare Zusammenspiel zwischen Akkretion und Feedback, das die kosmische Entwicklung von Strukturen reguliert. Großskalige kosmologische hydrodynamische Simulationen haben sich als grundlegendes Werkzeug erwiesen, um ein solches Zusammenspiel zu untersuchen.
Eine Reihe von Arbeiten in der Literatur hat sich darauf konzentriert, die Details des zentralen Mechanismus, der für die Energieabgabe verantwortlich ist, aus beobachtender und numerischer Sicht zu untersuchen. Seine Eigenschaften sind entscheidend mit der Physik des Akkretionsflusses innerhalb weniger Parsec des schwarzen Lochs verbunden. Diese bestimmt den Kanal der Energieabgabe, der für das Feedback verantwortlich ist, welches in Form von Strahlung oder durch leistungsstarke relativistische Jets auftreten kann. Die Jets spielen eine wichtige Rolle, insbesondere in Galaxienhaufen, wo sie Feedback durch die Einspeisung von Energie in das Intra-Cluster-Medium ausüben und Kühlungsverluste ausgleichen.
Der Spin des schwarzen Lochs wird als Schlüsselkomponente bei der Bildung von Jets betrachtet, da er deren Leistung und Richtung bestimmt. Darüber hinaus bestimmt er die Strahlungseffizienz des Akkretionsprozesses auf SMBHs. Trotz seiner Bedeutung wird der Spin als Eigenschaft von schwarzen Löchern selten in kosmologische Simulationen einbezogen. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Entwicklung des Spins des schwarzen Lochs im Laufe der kosmischen Zeit umfassend zu untersuchen und wie dieser die gemeinsame Entwicklung von SMBHs und ihren Galaxien beeinflusst, unter Verwendung kosmologischer hydrodynamischer Simulationen. Um dieses Ziel zu erreichen, habe ich ein Modell implementiert, das Prozesse unter der Auflösungsgrenze beschreibt, insbesondere den Spin des schwarzen Lochs entwickelt und Gasakkretion und Verschmelzungen supermassiver schwarzer Löcher berücksichtigt. Das Modell geht von der Existenz einer ungleichmäßigen, geometrisch dünnen und optisch dicken Akkretionsscheibe aus, die durch die Metrik eines rotierenden schwarzen Lochs gestört wird und den Massentransfer von den aufgelösten Skalen der Simulationen vermittelt. Die Kopplung zwischen dem Akkretionsfluss und der Metrik des schwarzen Lochs übt ein Drehmoment aus, das den Spin des schwarzen Lochs modifiziert. Ich habe untersucht, wie sich der Spin des schwarzen Lochs entwickelt, indem ich eine Reihe von Simulationen verwende, die idealisierte Setups, zoom-in Simulationen und eine kosmologische Box umfasst, das eine große Population von SMBHs produziert. Dies ermöglichte es mir, die gekoppelte Entwicklung von Spinrichtung und -größe, die Auswirkungen des dynamischen Zustands des Gases, das die schwarzen Löcher speist, und die Auswirkungen von Verschmelzungen auf die Verteilung der Spins der schwarzen Löcher als Funktion der Eigenschaften der schwarzen Löcher detailliert zu analysieren.
Die Simulationsergebnisse werden durch die Informationen zum Spin des schwarzen Lochs bereichert. Dies ebnet den Weg für weitere Untersuchungen und Entwicklungen, wie die Analyse der Beziehung zwischen dem Spin des Schwarzen Lochs und Galaxienmorphologie. Am wichtigsten ist, dass die Größe und Richtung des Spin des schwarzen Lochs jetzt mit einer Beschreibung unter der Auflösungsgrenze für Jet-Feedback gekoppelt werden können, die darauf abzielt, ihre Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium zu reproduzieren, wie wir es in Radiogalaxien beobachten.
Die Arbeit ist wie folgt strukturiert. In Kap. 1 werde ich den kosmologischen Kontext und das Simulationsrahmenwerk einführen, auf dem das Spin-Entwicklungsmodell basiert. In Kap. 2 werde ich einige beobachtbare Eigenschaften von AGN sowie empirische Beweise für AGN-Feedbackprozesse und wie sie in kosmologischen Simulationen einbezogen werden darstellen. Ich werde auch die Rolle des Spins schwarzer Löcher bei der Erzeugung von Jets und die Techniken diskutieren, die es uns ermöglichen, empirische Einschränkungen darauf zu erhalten. In Kap. 3 werde ich zunächst einige Aspekte der Theorie von Akkretionsscheiben überprüfen und dann die Implementierung des Modells für Spin-Entwicklung in den Code OpenGadget3 vorstellen. In Kap. 4 werde ich die Simulationsreihe beschreiben, die verwendet wurde, um das Modell zu validieren und eine umfassende statistische Studie der Spins von schwarzen Löchern durchzuführen, und ich werde die Ergebnisse dieser Simulationen vorstellen. In Kap. 5 werde ich die Auswirkungen der Ergebnisse diskutieren und mit früheren Arbeiten vergleichen. Schließlich werde ich in Kap. 6 zukünftige Perspektiven aufzeigen und in Kap. 7 die Arbeits zusammenfassen und abschließen.There is compelling evidence that most of the galaxies in our Universe host a supermassive black hole (SMBH) at their centre. When the central SMBH accretes gas from the surroundings it releases large amounts of energy back to the environment. Such massive accreting BHs are commonly referred to as Active Galactic Nuclei (AGN). It has been now established that they have an important role in the evolution of galaxies, through the so-called AGN feedback. This joint evolution is a complex, multi-scale problem and involves the highly non-linear interplay between accretion and feedback, regulating the cosmic evolution of structures. Large-scale cosmological hydrodynamical simulations have proved to be a cornerstone tool to study such interplay.
A number of works in literature have focussed on studying the details of the central engine responsible for the energy release, from the observational and numerical point of view. Its properties are crucially related to the physics of the accretion flow within a few parsecs from the BH. This determines the channel of energy release responsible for feedback, which can occur in the form of radiation or through powerful relativistic jets. The jets are important actors, especially in galaxy clusters where they exert feedback by injecting energy into the intra-cluster medium and offset cooling losses.
The BH spin is thought to be a key ingredient in the formation of jets because it determines their power and direction. Moreover, it determines the radiative efficiency of the accretion process onto BHs. Despite its importance, this property of BHs is seldom included in cosmological simulations.
This Thesis aims to comprehensively study the evolution of the BH spin across cosmic time and how it affects the co-evolution of SMBHs and their host galaxies, using cosmological hydrodynamical simulations. To achieve this goal, I implemented a sub-resolution model that evolves the BH spin, accounting for gas accretion and mergers. The model assumes the presence of a misaligned geometrically thin, optically thick accretion disc perturbed by the metric of a spinning BH, mediating the mass transfer from the resolved scales of the simulations. The coupling between the accretion flow and the metric of the BH exerts a torque that modifies the BH spin.
I explored how the BH spin evolves using a simulation suite comprising idealised setups, zoomed-in simulations and a cosmological volume, that produces a large simulated population of BHs. This allowed me to analyse in detail the coupled evolution of the spin direction and magnitude, the effect of the dynamical state of the gas fuelling the BHs and the impact of mergers on the distribution of BH spins, as a function of BH properties.
The simulation output is enriched by the information on the BH spin, and this paves the way for further investigation and development, such as the analysis of the relation between BH spin and galaxy morphology. Most importantly, the BH spin magnitude and direction can now be coupled to a sub-resolution prescription for jet feedback that aims at reproducing their interaction with the surrounding medium, as we observe in features like the radio lobes.
The Thesis is organised as follows. In Ch. 1 I will introduce the cosmological context and the simulation framework upon which the spin evolution model is based. In Ch. 2 I will revise a few observational properties of AGN, as well as the empirical evidence for AGN feedback processes, and how they are included in cosmological simulations. I will also discuss the role of BH spin in the production of jets and the techniques that allow us to get empirical constraints on it. In Ch. 3 I will first review a few aspects of the theory of accretion discs and then present the implementation of the sub-resolution model for spin evolution into the code OpenGadget3. In Ch. 4 I will describe the suite of simulations used to validate the model and conduct a comprehensive statistical study of BH spins and I will present the results of such simulations. In Ch. 5, I will discuss the implications of the results and how they compare to previous works. Finally, in Ch. 6 I will provide future prospects and in Ch. 7 I will summarise and conclude
Dynamic environments at the origins of life
Get PDFAuf der Suche nach einem möglichen Ursprung des Lebens auf der Erde, müssen alle Prozesse, die dazu beigetragen haben im Einklang mit den geo-physikalischen Gegebenheiten gewesen sein. Dies bedeutet, dass das Leben aus einfachsten chemischen Bausteinen entstehen musste, während alle Moleküle nur stark verdünnt in den präbiotischen Ozeanen vorhanden waren. Nukleinsäuren werden dabei als Ausgangspunkt für molekulare Evolution angenommen. Die genauen Vorgänge für mögliche Akkumulation von gelösten Molekülen und insbesondere die Synthese der primären Bausteine von Nukleinsäuren stellt eine der größten Herausforderungen auf dem Forschungsgebiet dar.
Alkalische Quellen werden als vielversprechende Umgebung für erste Prozesse in der Entstehung des Lebens angesehen, da sie die starke Gradienten über eine anorganische Mineralstruktur ausbilden. Ihre schlotartige Architektur erschwert allerdings jegliche Visualisierung oder Untersuchung der Gradienten im Labor. Kapitel 3 widmet sich daher einer möglichen quasi-zweidimensionalen Anordnung, die die zeitaufgelöste Mikroskopie der Mineralienentstehung bei Injektion einer basischen Lösung in eine eisenreiche Flüssigkeit. Verschiedene Fließgeschwindigkeiten und Ionen-Konzentrationen führen zur Bildung verschiedenster Strukturen durch die ausgefällten Mineralien. Parallele, fingerartige Morphologien ermöglichten dabei die Entstehung und Aufrechterhaltung von pH-Gradienten, sowie die lokale Akkumulation dispergierter Partikel. Dieser Ansatz bietet nicht nur die Möglichkeit zur Untersuchung von Gradienten an semi-permeablen Membranen, sondern könnte auch mögliche Prozesse innerhalb dünner Risse im Meeresboden simulieren.
In Kapitel 4 wurde die Akkumulation von gelösten Nukleinsäuren in dreidimensionalen Nachbildungen dieser Szenarien untersucht. Die charakteristischen schlotartigen Strukturen bildeten sich unter Infusion alkalischer Lösung in einen Kolben mit eisenhaltige Lösung mit gelöster DNA zur Simulation eines präbiotischen Ozeans. Messungen der DNA-Konzentration nach der Ausfällung einer Schlotstruktur, sowohl im Ozean als auch am Schlotmaterial, legten eine Anreicherung von DNA-Strängen am Mineral nahe, während die Ozeanlösung kaum DNA aufwies. Folgeexperimente mit RNA konnten diese Beobachtung bestätigen und zeigten, dass RNA im Laufe der Zeit aus der Ozeanlösung entzogen wird, was auf eine Bindung an gelöste Eisenkomplexe hindeutet, die sich rasch an den entstehenden mineralischen Präzipitaten anlagern. Alkalische Quellen könnten daher eine Möglichkeit darstellen, gelöste Nukleinsäuren aus verdünnten präbiotischen Ozeanen zu akkumulieren.
Kapitel 5 beschäftigt sich schließlich mit möglichen Rahmenbedingungen für die präbiotische Synthese von Nukleosiden als Vorläufermoleküle für erste Nukleinsäuren. Die kovalente Bindung von Nukleobase und D-Ribose wurde hier als Übersichtsprüfung verschiedener physikalischer und chemischer Bedingungen aufgesetz, um eine Abschätzung plausibler Voraussetzungen für zukünftige experimentell Ansätze zu erlangen.. Ein Vergleich der relativen Ausbeuten der Reaktionen legte nahe, dass die erhöhte Dynamik von periodischen Nass-Trocken-Zyklen eine effektive Methode darstellen. Bei der Synthese von Guanosin konnten außerdem Luft-Wasser-Grenzflächen in einem thermischen Ungelichgewicht die Ausbeute noch weiter steigern, und vergleichbare Ergebnisse wie bei der Zugabe von Carbonat erreichen. Diese Ergebnisse liefern eine Abschätzung für vielversprechende präbiotisch kompatible Synthesebedingungen von Nukleosiden und können als Ausgangspunkt für eine tiefgreifendere Analyse in der Zukunft dienen.Alongside the search of a potential origin of life on Earth, it is clear, that all processes leading towards life's first molecules had to be compatible with the geo-physical circumstances provided by Earth's prebiotic environment. This implies that life not only had to emerge from simple chemical building blocks but also from the highly diluted solutions posed by the prebiotic oceans. As all living systems require information storing molecules, nucleic acids are assumed to be the starting point for molecular evolution. However, the mechanisms of how molecules could accumulate in early geological settings are poorly understood and especially the formation of nucleic acids primary building blocks poses one of the biggest challenges in the research field.
Alkaline hydrothermal vents are considered one plausible location along the path to life, as they facilitate the creation of strong gradients across inorganic mineral membranes, precipitated into tubular chimney structures. As any kind of testing or visualisation of the gradients is difficult in this three dimensional setting, chapter 3 investigated the potential of a quasi-2-dimensional setup, enabling the spatio-temporal visualisation of the mineral formation process in low volumes upon the injection of an alkaline fluid into an iron-rich solution. Variation in inflow rate and ion concentration could show the emergence of different precipitation morphologies. Within this confined geometry, the formation of stable, finger-like precipitation structures have been found to allow for the emergence and subsequent maintenance of microscale pH gradient and locally accumulate dispersed particles. This setting provides not only a model to study gradients across semi-permeable boundaries, but could also represent potential precipitation processes within fractures in the seafloor.
Zooming further out of this confined setting, chapter 4 studied the potential for accumulation of diluted nucleic acids in three dimensional recreation of alkaline vent chimneys. The characteristic tubular structures formed upon injection of an alkaline solution into a flask containing and iron-rich solution simulating a prebiotic ocean that included long strands of dissolved DNA. Measurements of DNA concentration after the growth of a precipitate chimney in both, ocean and chimney, suggested the localisation of the strands on the mineral structure, while the ocean was mostly depleted. Follow up experiments with RNA could confirm this observation and showed the depletion of RNA from the ocean solution over time, suggesting the binding of RNA to dissolved iron complexes that accumulated rapidly on the emerging mineral precipitates. Alkaline vent environments could therefore pose a way of accumulating dissolved nucleic acids from diluted prebiotic oceans.
Chapter 5 lastly explores possible boundaries for the prebiotic synthesis of nucleosides as precursor molecules towards first nucleic acids. The formation of a covalent glycosidic bond between nucleobase and D-ribose was approached here as the screening of a range of physical and chemical conditions to get an estimate of potential settings for further investigation. Comparison of relative reaction yields, suggested dynamics of wet-dry cycles as an effective settings for the improvement of canonical nucleosides yields. For the formation of guanosine air-water interfaces in a thermal gradient could boost the yield even further and reach comparable results in the presence of carbonate. These findings provide a rough estimate of potential boundary conditions for the prebiotic synthesis of nucleosides and can serve as starting point for thorough analysis in the future
Effects of bifrontal transcranial direct current stimulation on brain metabolites and clinical outcome - investigations using multimodal imaging methods
Get PDFElectrical stimulation for the treatment of patients has been already used for centuries starting with experiences of pain relief using an electrical torpedo fish (Sarmiento et al., 2016), continuing with the investigation of electrical stimulation of muscle cells by Luigi Galvani and finally using electrical stimulation to improve mood of depressed patients by the end of the 18th century (Sarmiento et al., 2016). By the mid of the 20th century scientists started to systematically explore electrical stimulation applied to the cortex of animals modulating neuronal activity (Isitan et al., 2020). Inspired by these results, transcranial electrical stimulation (TES) of the human brain was first investigated using single, brief high-voltage electrical shocks, which generated motor-evoked potentials (MEP), yet were highly uncomfortable (Zago et al., 2021). Later, new stimulation protocols were investigated, whereas the short, high-voltage shocks were replaced by low-intensity continuous direct currents named transcranial direct current stimulation (tDCS). TDCS is a safe, easy to use, easy portable and cost-effective non-invasive brain stimulation (NIBS) technique (A. R. Brunoni, Ferrucci, et al., 2012; A. R. Brunoni, Nitsche, et al., 2012). It does not directly stimulate neurons but shifts the resting membrane potential of neurons to a more depolarized state, hence, increasing the probability of generating an action potential, or to a more hyperpolarized state, hence, decreasing the probability of generating an action potential (Chase et al., 2020).
Reported tDCS effects on the brain have been variable and mixed. To gain more knowledge about de– and hyperpolarization of neurons tDCS was investigated in combination with numerous imaging methods such as magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a popular technique in neuroscience enabling non-invasive investigations of brain structures, metabolism and functions in both animals and humans. With the technical progress in medicine, a basic imaging technique has become highly relevant for clinical research named magnetic resonance spectroscopy (MRS). MRS or nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy (van der Graaf, 2010) allows to non-invasively measure brain metabolites in vivo. This technique has been long known as an analytical method in chemistry identifying the structures of molecules. Due to the improvement of MRI systems with higher magnetic fields such as 3 and 7 Tesla (Robitaille & Abduljalil, 1998; Schild, 2005), the measurement of metabolite concentrations using MRS was established (van der Graaf, 2010). This opportunity opened a new field of research investigating the direct molecular effect of tDCS stimulation on the change of brain metabolite concentrations, amongst others the two highly prominent neurotransmitters for excitation and inhibition, glutamate (Glu) and gamma aminobutric acid (GABA). As the tDCS current reaching neurons is mostly diminished through the scalp (Chase et al., 2020), electric field (e-field) simulations not only give insights in the current strength reaching the neuronal cells, but also its distribution based on individual anatomical images (MacKenbach et al., 2020). The combination of these methods has the potential to open a new era of precision medicine and more targeted treatment
