22455 research outputs found
Sort by
On the analytical and combinatorial structure of cosmological observables
Get PDFThe cosmological wavefunction is one of the central objects when one is considering the formulation and computation of cosmological observables in inflation. In recent years, the wavefunction has gained further interest when it was found that its diagrammatic expansion, at each order in perturbation theory, can be understood combinatorially in terms of geometric objects, cosmological polytopes. To each Feynman diagram in the wavefunction there is one correspondent polytope whose volume form is the integrand of the associated Feynman integral (cosmological integrals).
In this thesis, we explore the analytic properties of these integrals by developing a framework to compute their divergences. This framework is heavily dependent on mathematical objects, Newton polytopes, which capture the asymptotic structure of the integrand; as well as, the understanding of the geometry of the loop measure for a general cosmological integral. This allows us to understand the divergent structure of any loop cosmological integral. As well as computing their leading and sub-leading divergences in terms of a series expansion in an analytic regulator. This, in turn, permitted the development of a diagrammatic scheme that constructs infrared safe computables. Furthermore, we were able to explore computational methods for the one loop wavefunction, having computed the one loop two-site wavefunction and showed that the function space for the one-loop three-site wavefunction consists of Elliptic iterated integrals. Finally, we discuss the relevance of these tools to tackle a long standing issue in inflationary cosmology, the existence of infrared divergences for light scalar fields in expanding backgrounds. As well as possible phenomenological applications.
Afterwards, we turn to the combinatorial structure of the wavefunction. We start by providing an alternative combinatorial picture for each graph in the wavefunction, the graph associahedron. This new combinatorial picture has the advantage of being able to easily combine every single graph associahedron to build a new polytope, the Cosmohedron. This encodes all the contributions to the wavefunction. We describe how to obtain the wavefunction from of the cosmohedron. And we further show the generalisation of the Cosmohedron for the loop wavefunction. Additionally, we use the same ideas to construct the polytope for the correlator. Finally, we discuss how the cosmohedron may provide a path towards a stringy formulation of cosmological correlators.Die kosmologische Wellenfunktion ist eines der zentralen Objekte, wenn es um die Formulierung und Berechnung kosmologischer Observablen in der Inflation geht. In den letzten Jahren hat die Wellenfunktion weiter an Interesse gewonnen, als man herausfand, dass ihre diagrammatische Ausdehnung bei jeder Ordnung in der Störungstheorie kombinatorisch in Form von geometrischen Objekten, den kosmologischen Polytopen, verstanden werden kann. Zu jedem Feynman-Diagramm in der Wellenfunktion gibt es ein entsprechendes Polytop, dessen Volumenform der Integrand des zugehörigen Feynman-Integrals ist (kosmologische Integrale). In dieser Arbeit erforschen wir die analytischen Eigenschaften dieser Integrale, indem wir einen Rahmen entwickeln, um ihre Divergenzen zu berechnen. Dieser Rahmen ist stark abhängig von mathematischen Objekten, Newton-Polytopen, die die asymptotische Struktur des Integranden erfassen, sowie vom Verständnis der Geometrie des Schleifenmaßes für ein allgemeines kosmologisches Integral. Dies ermöglicht es uns, die divergente Struktur jedes kosmologischen Schleifenintegrals zu verstehen. Außerdem können wir ihre führenden und untergeordneten Divergenzen in Form einer Reihenentwicklung in einem analytischen Regulator berechnen. Dies wiederum ermöglichte die Entwicklung eines diagrammatischen Schemas, das infrarotsichere berechenbare Größen konstruiert. Darüber hinaus waren wir in der Lage, Berechnungsmethoden für die Ein-Schleifen-Wellenfunktion zu erforschen, indem wir die Ein-Schleifen-Zwei-Seiten-Wellenfunktion berechneten und zeigten, dass der Funktionsraum für die Ein-Schleifen-Drei-Seiten-Wellenfunktion aus elliptischen iterierten Integralen besteht. Schließlich diskutieren wir die Relevanz dieser Werkzeuge, um ein seit langem bestehendes Problem in der inflationären Kosmologie zu lösen: die Existenz von Infrarot-Divergenzen für leichte Skalarfelder in expandierenden Hintergründen. Außerdem diskutieren wir mögliche phänomenologische Anwendungen. Danach wenden wir uns der kombinatorischen Struktur der Wellenfunktion zu. Wir beginnen mit einem alternativen kombinatorischen Bild für jeden Graphen in der Wellenfunktion, dem Graphen-Assoziahedron. Dieses neue kombinatorische Bild hat den Vorteil, dass jedes einzelne Graphenassoziaeder leicht kombiniert werden kann, um ein neues Polytop, das Kosmoeder, zu bilden. Dieses kodiert alle Beiträge zur Wellenfunktion. Wir beschreiben, wie man die Wellenfunktion aus dem Kosmoeder erhält. Außerdem zeigen wir die Verallgemeinerung des Kosmoeders für die Schleifenwellenfunktion. Außerdem verwenden wir die gleichen Ideen, um das Polytop für den Korrelator zu konstruieren. Schließlich diskutieren wir, wie das Kosmoeder einen Weg zu einer stringy Formulierung kosmologischer Korrelatoren bieten kann
Boundary data and discretization in gauge theories and gravity
Get PDFIn dieser Arbeit untersuchen wir nichttriviale Effekte in Eichtheorien und Gravitation, die mit Eichtransformationen an Rändern zusammenhängen. Diese zeigen sich in Rand Symmetrien und randgestützten Freiheitsgraden in Form von Referenzsystemen, die als ‘Eich-Kantenmoden’ bekannt sind. Diese Kantenmoden sind notwendig für das korrekte Schneiden und Kleben von Eichtheorien, sowie für die Einbettung von Subsystemen in eine größere Theorie. Insbesondere bei der Konstruktion von Hilbert-Räumen und Pfadintegralen als Kontinuumslimeten von diskreten Theorien sind Kantenmoden von entscheidender Bedeutung für die Korrespondenz mit der Kontinuumsphysik. Als unsere originären Beiträge stellen wir zwei Ergebnisse vor, die sich auf das Verhältnis zwischen diskreten und Kontinuumstheorien der Gravitation beziehen und Kantenmoden beinhalten. Das erste dieser Ergebnisse analysiert den Grad der Holographie in der Gravitation, indem wir überprüfen, inwieweit die Geometrie eines Raumes aus seinem Rand rekonstruiert werden kann. Wir untersuchen dies im Kontext der Tensornetzwerkholographie, einem diskreten Paradigma, das konkret als ein Sektor der Quantengravitation verstanden werden kann. Wir zeigen, dass es strenge Beschränkungen darauf gibt, was aus Kantenmoden rekonstruiert werden kann. Um eine sinnvolle Relation zwischen der diskreten Theorie und dem Kontinuum zu erhalten, zeigen wir, dass zudem nichttriviale Einschränkungen auf die Verschränkung von Elementarbausteinen der diskreten Theorie und die Interpretation der Quantenzustände aufstellt werden müssen. Unser zweites Ergebnis betrifft die Symmetriestruktur der Gravitation und stellt eine Umformulierung dieser Struktur für Formulierungen in Tetradenform vor, die sich möglicherweise besser diskretisieren lässt. Wir zeigen, dass es eine produktive Umformung von Diffeomorphismen in interne Symmetrien namens ‘Shifts’ gibt, die im Gegensatz zu Diffeomorphismen den verbesserten Status haben, Generatoren zu besitzen, weshalb sie potentiell quantisiert werden können. Dies bringt die Struktur deutlich näher an die der Gravitation in 3D heran, welche bereits über diese Symmetrien quantisiert wurde, und ermöglicht auch einen direkten Zugriff auf den maximal möglichen Satz von Gravitationskantenmoden, sodass Schneiden und Kleben ohne Datenverluste möglich werden.In this thesis, we discuss nontrivial effects in gauge theories and gravity related to gauge transformations happening on boundaries. They show themselves in boundary-‘would-be-gauge’ symmetries and boundary-localised degrees of freedom in the form of reference frames, known as gauge edge modes. Edge modes are a necessity for gauge theories in correctly cutting or glueing theories along spacetime boundaries, as well as for embedding small regions into the theory defined on a larger spacetime. When constructing Hilbert spaces and path integrals as continuum limits of discrete theories, edge modes play a crucial role in recovering continuum physics. As our original contribution, we present two results related to this context pertaining to the relation of discrete and continuum theories of gravity. The first of these analyses the degree of holography in gravity, by verifying the extent to which the geometry of a space can be reconstructed from its boundary data. We study this in the context of tensor network holography, a discrete paradigm that can be concretely understood as a sector of quantum gravity. Our analysis reveals that there are strict limitations on what can be reconstructed from edge modes. Moreover, to establish a sensible correspondence between the discrete theory and the continuum, we must impose nontrivial constraints on the entanglement between building blocks of the discrete theory, and on the interpretation of the associated quantum states. Our second result concerns the symmetry structure of gravity, and presents a reformulation of it for tetrad gravity in a way that is possibly more amenable to discretization. We show that there is a productive recasting of diffeomorphisms into internal symmetries called ‘shifts’, which enjoy the significant advantage of generically admitting generators that can be quantized, unlike diffeomorphisms. This puts the symmetry structure of 4D gravity much closer to that of the 3D theory, which was already quantized using these symmetries, and also gives direct access to the maximal set of gravitational edge modes, so that cutting and glueing can be performed without loss of information
Interfacing DNA nanotechnology and single-molecule microscopy to stabilize functionality on the nanoscale
Get PDFDNA nanotechnology and, in particular, the introduction of DNA origami nanostructures (DONs), have enabled the easy design and synthesis of a plethora of highly sophisticated, functional nanodevices with applications in various fields such as biosensing, biocomputing, or nanorobotics. Simultaneously, advancing single-molecule microscopy has become an essential tool to investigate and readout DNA based nanodevices with high spatiotemporal resolution at a single-device level, breaking even the diffraction limit of light. While an unprecedent level of functionality has been reached in the design of DONs, their widescale applicability is still hampered by their intrinsic low structural and functional stability in application specific conditions. Single-molecule microscopy, on the other hand, suffers from photobleaching of fluorescent labels and photoinduced sample damage, limiting the observation time of DONs at the nanoscale. Multiple strategies have been developed to increase the stability of DONs and their fluorescent labels, but most of these approaches only slow down the degradation under wear and tear conditions and are incapable to reverse an occurring damage. This calls for novel stabilization strategies, which either ensure an improved static stability or provide dynamic stability by the repair of damaged building blocks within a functional DON, while preserving its functionality. In this thesis, I used single-molecule microscopy, the super-resolution imaging technique DNA points accumulation for imaging in nanoscale topography (DNA PAINT), and atomic force microscopy (AFM) to investigate the stability of functional DONs and demonstrated novel strategies to slow down or reverse the degradation under wear and tear conditions.
First, I applied protective coatings to DONs and investigated their improved stability, using either AFM, DNA PAINT, or a single-molecule reporter sensitive to the coating process. Here, I showed that designed DNA docking sites stay functional and addressable during the coating process with silica and that the structural integrity of the coated DONs can be probed using DNA PAINT. Additionally, I employed a molecular reporter for probing the coating process of DONs by reading out the fluorescence lifetime shift of an environment-sensitive cyanine dye. I applied the sensor to track the coating of DONs with silica and with commonly used poly-L-lysine polyethylene glycol (PLL-PEG) and studied the stability of the coated nanostructures under degrading conditions.
Next, I implemented dynamic, self-repairing strategies into DONs by exploiting the self-assembling nature of DNA. Using single-molecule microscopy and DNA PAINT, I showed, that the dynamic exchange of damaged building blocks with intact analogues from an excessive pool helps overcoming the irreversible bleaching of fluorescent labels, as well as structurally stabilizing DONs in blood serum.
Finally, I designed and implemented a novel strategy to improve the longevity of fluorescence labels in single-molecule and super-resolution imaging. It relies on directing a photostabilizing agent to the location of the fluorescent label via specific DNA interactions, thereby enabling long-term imaging without the addition of high amounts of chemical agents. After I applied this approach to single-molecule and DNA PAINT imaging on DONs, it was subsequently employed for photostabilized super-resolution imaging in cells even under aerobic conditions.
In summary, this thesis adds new approaches and characterization methods to the toolbox of stabilization strategies of functional DONs and fluorescent labels used in single-molecule and super-resolution microscopy. DNA PAINT and the molecular cyanine reporter help to understand the coating process of DONs at a single-molecule level, providing new insights into its homogeneity and integrity. The ability of DONs to repair damaged building blocks opens up new design possibilities, especially for future applications such as artificial cells, in which a constant turnover of building blocks will be needed to mimic the behavior and properties of natural cells. The modularity of the DNA mediated photostabilization approach makes it an affordable and attractive tool for future single-molecule applications, such as biosensing or minimally-invasive long-term super-resolution imaging of biological samples
Development and application of a dynamic approach to 3D radiative transfer in subkilometer-scale numerical weather prediction models
Get PDFThe increasing horizontal resolution of numerical weather prediction (NWP) models makes inter-column three-dimensional (3D) radiative transfer more and more important. However, 3D radiative transfer solvers are still computationally expensive, largely preventing their use in operational weather forecasting. To address this limitation, Jakub and Mayer (2015) developed the TenStream solver. It extends the well-established two-stream method to three dimensions by using ten instead of two streams to describe the transport of radiative energy through Earth's atmosphere. Building upon this method, this thesis presents the dynamic TenStream solver, a further acceleration of the original TenStream model. Compared to traditional solvers, its speed-up is achieved through three main concepts. First, instead of recalculating radiation from scratch every time the model is called, a time-stepping scheme is used to update the radiative field based on the result from the previous radiation time step. Second, convergence toward the new solution is accelerated by optimizing the iteration procedure through the underlying system of linear equations. And third, since the updated radiative field should not be markedly different from the previous one, just the first few steps of an iterative scheme toward convergence are performed, essentially exiting the algorithm before full convergence is reached. With this concept, the outgoing radiative fluxes of each grid box can be updated by taking only incoming fluxes from neighboring grid boxes into account, aligning radiative transfer more closely with the treatment of advection in the dynamical core of an NWP model and facilitating model parallelization.
Using a precomputed shallow cumulus cloud time series, the performance of this new solver is evaluated in terms of both speed and accuracy. In terms of speed, the dynamic TenStream solver is shown to be about three times slower than a classical 1D delta-Eddington approximation, but noticeably faster than currently available 3D solvers. To evaluate the accuracy of the new solver, its results, as well as calculations carried out with a 1D delta-Eddington approximation and the original TenStream solver, are compared to benchmark calculations performed with the 3D Monte Carlo model MYSTIC. At the grid box level, the dynamic TenStream solver is shown to calculate heating rates as well as net irradiances at the surface and at the top of the atmosphere that closely match those obtained by the original TenStream solver, thus providing a much better representation of the MYSTIC benchmark than the 1D delta-Eddington results. By calling the dynamic TenStream solver less frequently than the 1D delta-Eddington approximation, the new solver is furthermore shown to produce significantly more accurate results than a 1D delta-Eddington approximation carried out with a similar computational demand. At these lower calling frequencies, however, the incomplete solves in the dynamic TenStream solver also lead to a buildup of bias over time, which becomes larger the lower the calling frequency is.
To assess its impact on cloud development, the new solver is furthermore coupled to a large-eddy simulation with an interactive land surface. Similar to simulations driven by the original TenStream solver, daytime clouds driven by the dynamic TenStream solver are shown to organize into cloud streets oriented perpendicular to the angle of solar incidence, unlike the random positioning observed with 1D radiation. Additionally, clouds driven by 3D radiation are demonstrated to grow larger, become thicker and contain more liquid water during the day, but get thinner and contain less liquid water at night compared to their 1D-driven counterparts. Two mechanisms are identified that link these differences to features of the 3D radiative field. First, the clouds in the 3D simulations are shown to be positioned above areas of enhanced solar net surface irradiance rather than above their own shadows, strengthening rather than weakening the associated updrafts. Second, the domain-averaged net thermal emission at the ground is shown to be smaller in simulations driven by 3D radiation, with the resulting surface energy imbalance primarily compensated by an increase in the domain-averaged latent heat flux, leading to a greater release of water vapor into the atmosphere. Both of these mechanisms are captured by both the original and the dynamic TenStream solver, demonstrating the latter's ability to reproduce 3D radiative effects and their influence on clouds at a significantly lower computational cost.Die zunehmende horizontale Auflösung numerischer Wettervorhersagemodelle macht den dreidimensionalen (3D) Strahlungstransport zwischen den einzelnen vertikalen Säulen dieser Modelle immer relevanter. Allerdings sind 3D-Strahlungstransportlöser nach wie vor sehr rechenintensiv, was ihren Einsatz in der operationellen Wettervorhersage bis heute verhindert. Um dieses Problem anzugehen, entwickelten Jakub und Mayer (2015) den TenStream-Löser. Er erweitert die etablierte Zweistrommethode auf drei Dimensionen, indem er zehn statt zwei Ausbreitungsströme verwendet, um den Transport von Strahlung durch die Erdatmosphäre zu beschreiben. Aufbauend auf dieser Methode stellt diese Arbeit den dynamischen TenStream-Löser vor, der eine weitere Beschleunigung des ursprünglichen TenStream-Modells darstellt. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösern wird die Rechenzeit dabei vor allem durch drei Methoden reduziert. Erstens wird die Strahlung nicht bei jedem Aufruf des Modells neu berechnet, sondern mithilfe eines Zeitschrittverfahrens auf Basis der Ergebnisse des vorherigen Zeitschritts aktualisiert. Zweitens wird die Konvergenz in Richtung der neuen Lösung durch eine Optimierung des Iterationsverfahrens durch das zugrundeliegende lineare Gleichungssystem beschleunigt. Da sich das aktualisierte Strahlungsfeld zudem nicht grundlegend von dem vorherigen unterscheiden sollte, werden drittens nur die ersten Schritte des Iterationsverfahrens durchgeführt; der Algorithmus wird also bewusst abgebrochen, bevor vollständige Konvergenz erreicht ist. Dieser Ansatz ermöglicht die Berechnung der ausgehenden Strahlungsflüsse einer jeden Gitterbox allein auf Basis der eingehenden Flüsse aus benachbarten Gitterboxen, wodurch der Strahlungstransport näher an die Behandlung von Advektion im dynamischen Kern eines Wettermodells heranrückt und sich zudem erheblich leichter parallelisieren lässt.
Anhand einer vorberechneten Zeitreihe flacher Cumulusbewölkung wird dieser neue Löser anschließend sowohl hinsichtlich seiner Rechenzeit als auch bezüglich seiner Genauigkeit evaluiert. Hinsichtlich seiner Rechenzeit zeigt sich, dass der dynamische TenStream-Löser etwa dreimal langsamer als eine klassische 1D-delta-Eddington-Näherung, jedoch deutlich schneller als andere 3D-Löser ist. Um seine Genauigkeit zu beurteilen, werden die Ergebnisse des neuen Lösers mit einer klassischen 1D-delta-Eddington-Näherung, dem ursprünglichen TenStream-Löser und dem 3D-Monte-Carlo-Modell MYSTIC verglichen, wobei letzteres als Benchmark fungiert. Auf Gitterboxebene zeigt sich dabei, dass die durch den dynamischen TenStream-Löser berechneten Heizraten sowie Nettobestrahlungsstärken am Boden und am Oberrand der Atmosphäre den Ergebnissen des ursprünglichen TenStream-Lösers sehr nahe kommen und somit den MYSTIC-Benchmark sehr viel besser abbilden als die 1D-delta-Eddington-Näherung. Indem der dynamische TenStream-Löser im Vergleich zur 1D-delta-Eddington-Näherung weniger oft aufgerufen wird, ergibt sich zudem, dass der neue Löser deutlich genauere Ergebnisse liefert als eine 1D-delta-Eddington-Näherung bei vergleichbarem Rechenaufwand. Allerdings führt eine solche Reduktion der Aufrufe im Laufe der Zeit auch zu einem zunehmenden Bias gegenüber der vollen TenStream-Lösung, der umso größer wird, je seltener der neue Löser aufgerufen wird.
Um die Auswirkungen des neuen Lösers auf die Entwicklung von Wolken in Wettermodellen zu untersuchen, wird dieser zudem noch auf eine Grobstruktursimulation angewandt. Dabei zeigt sich, dass sich die Wolken dort ähnlich wie in der Simulation mit dem ursprünglichen TenStream-Löser zu Wolkenstraßen organisieren, die senkrecht zum Einfallswinkel der Sonne ausgerichtet sind. In der von 1D-Strahlung angetriebenen Simulation tritt hingegen keinerlei derartige Organisation auf. Außerdem wird gezeigt, dass von 3D-Strahlung angetriebene Wolken tagsüber horizontal größer und vertikal mächtiger als ihre von 1D-Strahlung angetriebenen Pendants werden und zudem über einen höheren Flüssigwassergehalt verfügen. Nachts hingegen sind die Wolken im direkten Vergleich dünner und enthalten weniger Flüssigwasser. Es werden zwei Mechanismen identifiziert, die diese Unterschiede mit Merkmalen des 3D-Strahlungsfelds in Verbindung bringen. Zum einen befinden sich die Wolken in den 3D-Simulationen über Regionen mit erhöhter solarer Nettobodenstrahlung, anstatt — wie in der 1D-Simulation — direkt über ihrem eigenen Schatten positioniert zu sein, was die mit den Wolken verbundenen Aufwinde verstärkt, anstatt sie abzuschwächen. Zum anderen zeigt sich auch, dass die horizontal gemittelte thermische Nettoabstrahlung des Bodens in den von 3D-Strahlung angetriebenen Simulationen geringer ausfällt, wobei das daraus entstehende Ungleichgewicht in der Strahlungsbilanz des Bodens hauptsächlich durch eine Erhöhung des horizontal gemittelten latenten Wärmeflusses ausgeglichen wird, was zu einer verstärkten Freisetzung von Wasserdampf in die Atmosphäre führt. Beide Mechanismen werden sowohl vom ursprünglichen, als auch dem dynamischen TenStream-Löser erfasst, was eindrucksvoll die Fähigkeit des letzteren demonstriert, 3D-Strahlungseffekte und deren Einfluss auf Wolken auch mit deutlich reduziertem Rechenaufwand effektiv abzubilden
What was true yesterday might not be true today
Get PDFBelief change in context-sensitive environments poses significant challenges, particularly due to the role of indexicals in shaping reasoning and arguments. Indexicals such as “I,” “here,” and “now” introduce unique challenges to traditional models, as their meanings are deeply tied to the agent’s perspective. These challenges reveal a fundamental tension in belief revision: the need to account for the world's objective structure and the agent's subjective position within it. A central issue in this discussion is the definition of context and its influence on asserting truths. Context-sensitive reasoning often exposes gaps in existing frameworks, where the interplay between external facts and internal perspectives remains underexplored. To address this, the thesis introduces a Two-Dimensional approach that considers both the agent’s knowledge of the world and their situated perspective, providing a structured lens for analyzing belief change dynamics. The “Alone in the Wilderness” scenario presented in the thesis serves as a guiding example throughout this work, illustrating the limitations of traditional models and the necessity of context-sensitive frameworks. This scenario captures the profound interplay of belief, knowledge, and perspective, demonstrating how an agent’s understanding of their situation evolves when isolated from external cues. Through such cases, the thesis showcases the applicability of Two-Dimensional frameworks while critically examining their limitations, ultimately proposing new directions for addressing the challenges of belief revision in context-sensitive domains.
Imagine waking up alone in the wilderness, lost and confused. In your hand is a letter explaining that you must survive until rescue arrives. You have no idea when or even if they will come, where you are, or what day it is. Yet, you can think and articulate sentences such as, “Today is windy,” or, “I didn’t eat yesterday,” even without knowing the exact date. You don’t need to know which day it is on the calendar to determine if it’s windy or if you’ve gone without food for a day. Moreover, you can effortlessly shift from using “today” to “yesterday” to describe an event from the prior day without confusion. This scenario highlights a fascinating aspect of human cognition: our ability to use indexicals expressions like “today,” “yesterday,” “I,” “here,” and “now” that are inherently tied to specific contexts, even when the precise details of the context remain unknown. Such expressions are context-sensitive, enabling individuals to describe their beliefs and experiences without needing exhaustive knowledge about their surroundings or even themselves. In our wilderness example, a person could write sentences such as, “I am here,” or, “It is cold now,” without knowing their exact location or personal details.
Indexical expressions play a central role in how we describe and assert beliefs, particularly those about ourselves. This thesis explores the nature of indexical reasoning and its implications for Belief Revision. In the wilderness, every decision you make relies on reasoning under uncertainty: Should you ration your food? Should you move or stay put? These decisions depend on the context you construct, using available evidence and linguistic expressions to frame your thoughts. Indexicals are crucial in this process, as they allow you to structure beliefs and make decisions even with incomplete information. By examining the wilderness scenario, this thesis investigates the interplay between context-sensitive reasoning and Belief Revision. How can beliefs be updated when new information arises? For instance, discovering footprints nearby could significantly alter your beliefs about rescue or potential danger. This work connects such questions to formal systems of reasoning, providing tools to model and analyze the dynamics of belief and knowledge in context-dependent situations. Beyond decision-making scenarios, the process of revising beliefs with indexical information raises deeper questions about how defeasible reasoning interacts with context-sensitivity. To address these issues, it is crucial to identify the underlying problem and its theoretical foundations.
This thesis explores the role of context-sensitive reasoning in Belief Revision, emphasizing the need to integrate Two-Dimensional Semantics into frameworks for dynamic belief change. Traditional models of Belief Revision typically assume that the context in which beliefs are held remains fixed. However, as demonstrated by authors such as David Lewis and Robert Stalnaker, beliefs are often shaped not only by the external world but also by the agent's perspective and context. This dual dependency reveals the limitations of one-dimensional approaches and highlights the necessity of a more refined framework. Building on insights from Two-Dimensional Semantics, this thesis distinguishes between two crucial components of belief: those that pertain to the external world and those grounded in the agent's context. By analyzing the interplay between these two types of contexts, the thesis establishes the conditions under which a Two-Dimensional framework becomes indispensable for accurately modeling belief change as sometimes Two-Dimensional models are necessary for Belief Revision and in others, simpler one-dimensional approaches suffice. Through this analysis, the thesis bridges the gap between classical Belief Revision theory and the complexities of everday reasoning, offering a more comprehensive understanding of how context-sensitive beliefs evolve in dynamic environments.
By presenting a novel framework for context-sensitive Belief Revision, grounded in the integration of Two-Dimensional Semantics and the theory of indexicals and self-locating beliefs, this work aims to address the issue of how one can rationally revise their beliefs in the presence of indexical expressions. The work begins with an exploration of the theoretical foundations, introducing key concepts from Belief Revision and modal logic. Using illustrative examples, the introductory chapter sets the stage by demonstrating how context influences an agent’s ability to revise beliefs, particularly when faced with uncertainty about their position in time, space, or knowledge. This section provides the necessary background for understanding the challenges addressed in the subsequent chapters and offers a comprehensive literature review.
The Part I of the thesis delves deeper into the mechanics of belief dynamics, and the formal proposals to deal with defeasible reasoning. Through a formalization of these intensions, this section builds a foundation for understanding how context-sensitive reasoning operates and why it is indispensable for addressing complex scenarios.
This is essential to understand the construction and limitations of a Two-Dimensional framework for Belief Revision. This approach is exemplified through real-life-inspired scenarios, such as John the Ranger, who must navigate uncertainty about his location in the wilderness, and Jane the Detective, who adapts her beliefs as new evidence reshapes her understanding of events. These case studies serve as practical illustrations of how the framework operates, demonstrating its flexibility and accuracy in capturing dynamic revisions.
In the Part II of the thesis delves into the intricate phenomena of indexicality, laying the foundation for understanding how beliefs involving indexicals are formed, maintained, and revised. One chapter focus on the unique challenges posed by indexical expressions, which depend on the speaker's context to convey meaning. This chapter develops a systematic approach to formalizing indexicals necessary if we want to incorporate Indexicals into the framework of Belief Revision, emphasizing their dependence on both linguistic and epistemic contexts. Following this, we discuss in detail what a Context is and how contexts can shape and constrain an agent's beliefs and reasoning. It introduces the new concepts of \textit{K-contexts} and \textit{S-contexts} to distinguish between knowledge about the world and self-locating perspectives, offering a structured way to model how contexts influence belief dynamics. Together, these chapters establish the theoretical and formal tools necessary for addressing the complexities of context-sensitive reasoning, setting the stage for the practical applications and advanced modeling discussed in later parts of the thesis.
Part III of the thesis builds upon the theoretical groundwork laid earlier, advancing approaches to context-sensitivenes from the probabilistic side. It refines traditional models by integrating probabilistic reasoning and addressing limitations in handling conflicting or uncertain information. This section emphasizes the importance of flexibility in belief dynamics, particularly in accommodating context-sensitive elements. The thesis also incorporates probabilistic reasoning to enhance the modeling of Belief Revision, particularly in scenarios involving uncertainty and conflicting information. By integrating probabilities into the revision process, the framework allows for more nuanced adjustments to belief strength, reflecting the varying degrees of confidence agents may hold. This probabilistic perspective is essential for addressing real-world reasoning challenges, where evidence is often incomplete or context-sensitive. It further strengthens the framework’s applicability to dynamic environments and decision-making processes. A key application explored in the thesis is the Sleeping Beauty problem, which illustrates the complex interplay between indexicals, context, and probabilistic reasoning. This scenario demonstrates how an agent’s self-locating beliefs—such as those tied to temporal contexts—can influence their epistemic updates. The analysis reveals the practical utility of the Two-Dimensional framework in resolving ambiguities arising from shifting contexts, providing a concrete example of how the proposed model captures the nuances of context-sensitive reasoning in intricate cases.
A significant focus of Part IV is the process of belief revision involving indexical expressions. Using previously introduced scenarios, it demonstrates how agents reconcile changes in their self-locating perspectives with their knowledge about the world. This section formalizes the interplay between different dimensions of belief, providing practical insights into resolving inconsistencies in context-sensitive reasoning. Finally, in Part IV we critically evaluate whether a Two-Dimensional framework is necessary for addressing complex cases involving indexicals. It balances the theoretical advantages of this approach against potential limitations, reflecting on its broader implications for both philosophical inquiry and practical applications. By offering a robust and adaptable framework for modeling context-sensitive belief dynamics, this section concludes the thesis with a comprehensive outlook on its contributions and directions for future research. In the final chapters, the thesis develops a detailed account of how beliefs involving indexicals and context-sensitive information can be revised systematically. It introduces a Two-Dimensional framework to capture the nuances of these revisions. The final chapters apply this framework to various illustrative cases, offering practical insights into the mechanics of belief adjustment as well as critically evaluating the necessity of Two-Dimensional Semantics in addressing such revisions, balancing the theoretical benefits against practical limitations. Together, these chapters provide a comprehensive roadmap for understanding and implementing context-sensitive Belief Revision while reflecting on the broader implications of adopting a Two-Dimensional approach. The thesis concludes by synthesizing its contributions, offering both a theoretical framework and practical tools for modeling belief dynamics. It emphasizes the significance of integrating context and agent-centered perspectives into Belief Revision, contributing to ongoing discussions in epistemology, logic, and beyond. By bridging foundational theory with applied reasoning, this work opens new avenues for understanding the complexity of everyday reasoning and sets the stage for future advancements in this vibrant area of research.
In summary, this thesis explores the dynamics of Belief Revision in context-sensitive environments, emphasizing the role of indexicals such as “I,” “here,” and “now.” These expressions, deeply tied to the agent’s perspective, reveal challenges in reconciling external facts with internal viewpoints. By integrating Two-Dimensional Semantics, the thesis develops a framework distinguishing between knowledge about the world and self-locating perspectives, addressing the interplay of context, belief, and reasoning. Illustrative scenarios, including probabilistic reasoning and the Sleeping Beauty problem, demonstrate the framework's flexibility in handling uncertainties and shifting contexts. This work advances the understanding of belief change, bridging classical theories with the complexities of everyday reasoning and offering insights into fields such as epistemology, cognitive science, and artificial intelligence.Die Arbeit zeigt, dass die Zwei-Dimensionale Semantik vor allem dann erforderlich ist, wenn die Revision von Überzeugungen komplexe, kontextabhängige Elemente berücksichtigt, wie sie bei Indexikalität und selbstlokalisierenden Überzeugungen vorkommen. In weniger komplexen Fällen, in denen der Kontext eine untergeordnete Rolle spielt, reicht ein eindimensionaler Ansatz aus, der eine effizientere und einfachere Lösung bietet. Schließlich wird die Dissertation die verschiedenen Möglichkeiten zur Implementierung von 2D-Modellen in der Überzeugungsrevision und deren Grenzen aufzeigen. Es wird auch die Frage behandelt, wann eine Vereinfachung auf eindimensionale Modelle möglich und rational ist.
Zu Beginn der Dissertation wird die theoretische Grundlage der Belief Revision und der Zwei-Dimensionalen Semantik gelegt. Im klassischen Ansatz der Belief Revision werden Überzeugungen basierend auf neuen Informationen aktualisiert, wobei der Kontext als konstant angenommen wird. Dieser Ansatz geht davon aus, dass die Welt und das Wissen des Agenten unverändert sind, abgesehen von den neuen Informationen, die eingeführt werden. Die Dissertation zeigt jedoch auf, dass viele Überzeugungen kontextabhängig sind und von der Perspektive des Agenten abhängen. Diese Perspektive wird oft durch Indexikalität und selbstlokalisierende Überzeugungen geprägt, bei denen nicht nur das Wissen über die Welt relevant ist, sondern auch der Zeitpunkt, der Ort und der Agent selbst. Die herkömmlichen Modelle der Belief Revision stoßen hier an ihre Grenzen, da sie die dynamische Natur von Kontexten und die damit verbundene Unsicherheit nicht ausreichend abbilden. Zwei-Dimensionale Semantik wird hier als Modell vorgestellt, das zwischen der tatsächlichen Welt und der Perspektive des Agenten unterscheidet, wobei sowohl die Welt als auch der Kontext des Agenten in die Beliefs einfließen.
Im ersten Kapitel werden die Grundlagen der Zwei-Dimensionalen Semantik erklärt, die ursprünglich von Kaplan \cite{kaplanld}, Chalmers \cite{chalmers2006two} und Stalnaker \cite{stalnakernotes} entwickelt wurde. Diese Theorien untersuchen die Unterscheidung zwischen der tatsächlichen Welt und möglichen Welten aus der Perspektive eines Individuums. Der Hauptbeitrag des ersten Kapitels ist es, die Notwendigkeit der Unterscheidung zwischen K-Intensionen (weltbezogene Überzeugungen) und S-Intensionen (kontextbezogene Überzeugungen) zu verdeutlichen. K-Intensionen beschreiben Überzeugungen, die ausschließlich auf der Welt basieren, wie sie aus einer objektiven Perspektive betrachtet wird, während S-Intensionen den Kontext des Agenten, insbesondere die Position des Agenten in der Welt (Zeit, Ort, und individuelle Perspektive), in Betracht ziehen. Diese Unterscheidung ist von zentraler Bedeutung, da sie es ermöglicht, kontextabhängige Überzeugungen korrekt zu modellieren und die Komplexität der realen Welt, in der der Agent lebt, adäquat zu berücksichtigen. In vielen Fällen reicht es nicht aus, nur die Welt zu betrachten, sondern auch die Position des Agenten in der Welt, die den Kontext für die jeweiligen Überzeugungen bildet.
Das erste Kapitel führt daher die Grundlagen der Zwei-Dimensionalen Semantik in die Belief Revision ein und diskutiert die Relevanz von Kontext und Perspektive für die Aktualisierung von Überzeugungen. Es wird gezeigt, dass die Einführung von S-Intensionen und K-Intensionen eine präzisere Modellierung von Belief Revision ermöglicht, insbesondere in Szenarien, in denen der Agent unsicher ist, nicht nur über die Welt, sondern auch über seine Position innerhalb der Welt. Dies ist besonders relevant für die Behandlung von Indexikalität und selbstlokalisierenden Überzeugungen, die in vielen alltäglichen und philosophischen Kontexten vorkommen. Weiterhin wird ein methodischer Rahmen für die Integration von Zwei-Dimensionaler Semantik in die Belief Revision vorgestellt, der aufzeigt, wie Überzeugungen effizient aktualisiert werden können, wenn sowohl die Welt als auch der Kontext berücksichtigt werden müssen.
Im Verlauf der Arbeit wird dann detailliert untersucht, wie dieser erweiterte Rahmen in praktischen Beispielen wie der „Alone in the Wilderness“ -Erzählung oder dem „Sleeping Beauty“ -Paradoxon angewendet werden kann. Anhand dieser Beispiele wird gezeigt, dass die Unterscheidung zwischen K- und S-Intensionen entscheidend dafür ist, wie wir Überzeugungen aktualisieren und neue Informationen einbeziehen, die in einem bestimmten Kontext Sinn machen. Diese Anwendung wird sowohl theoretisch als auch praktisch weiter vertieft, um das Potenzial der Zwei-Dimensionalen Semantik für die Belief Revision zu demonstrieren.
Ein zentrales Beispiel, das in dieser Dissertation behandelt wird, ist das Beispiel von John, dem Ranger, der sich allein in der Wildnis befindet. In diesem Szenario geht es nicht nur darum, welche Welt John für wahr hält, sondern auch, welche Welt in Bezug auf seine spezifische Situation (seinen „zentralen Kontext“ ) relevant ist. John ist sich nicht sicher, wo er sich befindet, was zu einer erheblichen Unsicherheit bezüglich seiner Überzeugungen führt. Während er die Welt als „möglich“ oder „wahrscheinlich“ betrachtet, verändert sich seine Überzeugung, je nachdem, welche Informationen er in Bezug auf seine Position und Zeit erhält. Diese Unsicherheit in Johns Wahrnehmung wird durch die Komplexität von kontextabhängigen Überzeugungen und deren Überarbeitung noch verstärkt, was das Beispiel zu einem idealen Fall für die Anwendung der Zwei-Dimensionalen Semantik macht.
In Johns Fall treten zwei Arten von Unsicherheit auf. Einerseits ist er unsicher über die genaue Welt, in der er sich befindet (unsicher über den Ort). Andererseits ist er unsicher über den Kontext (unsicher über die aktuelle Zeit und seine eigene Position). Diese doppelte Unsicherheit macht das Beispiel ideal, um die Unterscheidung zwischen K- und S-Intensionen zu demonstrieren. Johns Unsicherheit über den Ort ist eine klassische Fall von Unsicherheit über die Welt, die durch die herkömmliche AGM-Überarbeitungslogik behandelt werden kann. Seine Unsicherheit über den Kontext erfordert jedoch eine Zwei-Dimensionale Betrachtung, da sowohl die Welt als auch seine Position innerhalb dieser Welt berücksichtigt werden müssen. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, da Johns Überzeugungen nicht nur durch objektive Welten, sondern auch durch seinen spezifischen Standort und Zeitpunkt beeinflusst werden.
Johns Unsicherheit kann durch die Unterscheidung zwischen K-Intensionen und S-Intensionen präzisiert werden. Die K-Intensionen beziehen sich auf Johns Überzeugungen über die Welt, unabhängig von seinem Standort und seiner Position. In diesem Fall würde er eine Überzeugung darüber haben, dass er sich möglicherweise in einem bestimmten geografischen Gebiet befindet, aber er könnte nicht sicher sein, welches Gebiet es genau ist. Diese Überzeugung lässt sich durch die herkömmliche, eindimensionale AGM-Logik überarbeiten, da sie sich nur auf den Inhalt der Welt bezieht.
Die S-Intensionen hingegen beziehen sich auf Johns Unsicherheit über seine Position innerhalb der Welt – also die Frage, wo er sich genau befindet und zu welchem Zeitpunkt. Diese Art von Unsicherheit ist kontextabhängig, da sie von der Perspektive und dem Wissen von John abhängt. Um die Unsicherheit zu überarbeiten, muss man sowohl die Welt als auch den Kontext berücksichtigen, was eine Zwei-Dimensionale Modellierung erfordert. Wenn John z.B. durch die Beobachtung eines markanten geografischen Merkmals (z.B. einen Berg oder einen Fluss) seine Position zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort präzisiert, verändert sich seine Überzeugung über den „Ort“ und seine Zeit innerhalb der Welt. Diese kontextabhängige Unsicherheit kann nicht allein mit einem eindimensionalen Belief Revision-Ansatz erfasst werden.
Um die Überzeugungsrevision in Johns Fall adäquat zu modellieren, ist es notwendig, beide Dimensionen der Zwei-Dimensionalen Semantik anzuwenden. Dies bedeutet, dass die Überzeugungen über die Welt sowohl auf den aktuellen Wissensstand (die K-Intension) als auch auf den aktuellen Kontext (die S-Intension) zurückgeführt werden müssen. Ein einfaches Beispiel hierfür ist die Unterscheidung zwischen der Überzeugung, dass „heute ein schöner Tag ist“ (S-Intension) und der Überzeugung, dass „es morgen regnen wird“ (K-Intension), wobei letzteres nicht von der persönlichen Position od
Aktuelle Behandlungskonzepte nach Verletzungen der oberen Extremität mit Fokus auf die proximale Humerusfraktur unter besonderer Berücksichtigung auftretender Komplikationen
Get PDFInvolvement of immune cells in coagulation activated by atherosclerotic plaques
Get PDFAtherosclerosis is a multifactorial disease of arterial vessels, which due to LDL deposits in the intima and pronounced immune responses inside the vessel wall can lead to plaque formation. These plaques can destabilize and rupture due to various factors, which can lead to vessel occlusion and ischemia via development of arterial thrombosis.
Using different staining techniques, we observed the presence of cholesterol crystals, T cells, neutrophils and NETs in samples from acute carotid and femoral thrombi, as well as their colocalization with fibrin. In in vitro Experiments of whole blood coagulation, we observed that cholesterol crystals do not increase the buildup of the plaque-induced thrombus but rather have a destabilizing effect on thrombus formation (reduced MAXV and alpha angle values).
Homogenized atherosclerotic plaque material promoted coagulation in whole blood as well as in platelet poor-plasma (PPP). In FXII-deficient plasma the plaque-induced fibrin formation was clearly reduced, which can lead to the conclusion that the contact activation system of coagulation is involved.
Activated classical monocytes supported plaque-induced fibrin formation, while the quiescent classical monocytes supported thrombolysis. Non-classical monocytes did not show any significant effect on plaque-induced thrombus formation.
Non-activated CD4+ T cells delayed plaque-induced thrombus formation (lower CFR), while the activated CD4+ T cells had no effect on the plaque-induced thrombus formation.
The role of the fibrinolysis inhibitor PAI-1 in the early stages of plaque-induced coagulation was also examined. Neutralization of PAI-1 induced a significant increase in the coagulation time and a delayed thrombus buildup, indicating that PAI-1 supported coagulation in the early stages of thrombus formation (increased CT and MAXV-t values).Die Atherosklerose ist eine multifaktorielle Erkrankung der arteriellen Gefäße, die aufgrund von LDL-Ablagerungen in der Intima und einer ausgeprägten Immunantwort zur Plaquebildung führt. Diese Plaques können aufgrund verschiedener Faktoren destabilisieren und reißen, was zu einem Gefäßverschluss durch eine arterielle Thrombose mit nachfolgender Ischämie führen kann.
Mittels unterschiedlicher Färbungen beobachteten wir das Vorhandensein von Cholesterinkristallen, T-Zellen, Neutrophilen und NETs in den Proben von akuten Karotiden- und Femoralisthromben sowie deren Kolokalisation mit Fibrin. In In-vitro-Experimenten zur Vollblutgerinnung wurde festgestellt, dass Cholesterinkristalle die Plaque-induzierte Thrombusbildung nicht steigern, sondern dass sie eher eine destabilisierende Funktion auf die Thrombusbildung haben können (reduzierte MAXV und Alpha-Winkel-Werte).
Homogenisiertes atherosklerotisches Plaquematerial förderte die Fibrinbildung sowohl im Vollblut als auch im thrombozytenarmen Plasma (PPP). In FXII-defizientem Plasma war die durch Plaque induzierte Fibrinbildung deutlich reduziert, was auf eine starke Beteiligung des Kontaktaktivierungssystems der Gerinnung schließen lässt.
Aktivierte klassische Monozyten förderten die Plaque-induzierte Fibrinbildung, während die nicht aktivierten klassischen Monozyten die Thrombolyse begünstigten. Nicht-klassische Monozyten zeigten keinen signifikanten Einfluss auf die Plaque-induzierte Thrombusbildung.
Nicht-aktivierte CD4+ T-Zellen verzögerten die Plaque-induzierte Thrombusbildung (niedriger CFR-Wert), während aktivierte CD4+ T-Zellen keinen Effekt auf die Plaque-induzierte Thrombusbildung zeigten.
Die Rolle des Fibrinolyseinhibitors PAI-1 für die plaque-induzierte Gerinnungsaktivierung wurde ebenfalls untersucht. Neutralisierung von PAI-1 induzierte eine deutliche Verlängerung der Gerinnungszeit sowie eine verzögerte Thrombusbildung, was darauf hindeutet, dass PAI-1 in den Anfangsstadien der Gerinnselbildung koagulationsfördernd wirken kann (Erhöhung der CT and MAXV-t-Werte)
Аукториальность в современных русских романах
Get PDFНастоящее исследование посвящено изучению инновационной аукто-риальной стратегии и соответствующих, производимых ею эффектов в современной русской художественной прозе на примере романов «Письмовник», «Взятие Измаила», «Авиатор», «Лавр» двух современных российских авторов Михаила Шишкина и Евгения Водолазкина. Интерес к названным произведениям двух романистов, многократно становившихся лауреатам самых престижных литературных премий, обусловлен наличием характерного для данных романов общего теистического тезиса, а также объединяющей их рефлексии о времени, истории России и судьбе русского человека.
Рассматриваемая на материале перечисленных романов инновационная аукториальная стратегия представляет собой альтернативу модернистским и постмодернистским моделям аукториальности и может быть соотнесена с некоторыми пост-постмодернистскими концепциями.
Ангелина Масленникова изучала русскую филологию в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова и в 2025 году получила степень PhD по славистике в аспирантской школе по языкознанию и литературоведению (отдел литературы) Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана. Её исследовательские интересы включают современную русскую литературу, теорию повествования и теории культуры.Die vorliegende Studie widmet sich der systematischen Untersuchung typischer innovativer auktorialer Strategien und Rezeptionseffekte am Beispiel ausgewählter Romane der beiden russischen Autoren Michail Šiškin und Evgenij Vodolazkin.
Das Interesse an den ausgewählten Werken der beiden Autoren, die mehrmals mit den renommiertesten Literaturpreisen ausgezeichnet wurden, beruht auf der gemeinsamen theistischen These, die für die Romane charakteristisch ist, sowie auf der Reflexion über die Zeit, die Geschichte Russlands und das Schicksal des russischen Volkes, die diese vereint.
Die untersuchte innovative auktoriale Strategie bietet so eine Alternative zu den modernistischen und postmodernistischen Modellen von Auktorialität und eröffnet vielmehr Verbindungen zu einigen post-postmodernistischen Konzeptionen.
Angelina Maslennikova studierte Russische Sprach- und Literaturwissenschaft an der Moskauer Staatlichen Lomonossow Universität und wurde 2025 an der Ludwig-Maximilians-Universität München an der Graduiertenschule Sprache & Literatur − Klasse für Literatur im Fach Slavistik promoviert. Ihre Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich Gegenwartsliteratur sowie Erzähltheorie und Kulturtheorien.In contemporary Russian culture, particularly the literature of the first quarter of the 21st century, several outstanding features can be emerged, such as: non-ironical engagement with metaphysical, historical, ethical, aesthetic themes. This tendency has been widely interpreted by scholars as indicative of an anti-postmodern orientation. The lack of a unified methodological approach that would allow to systematically contrast contemporary Russian literature with the prose of other literary epochs is controversial for most of these concepts.
This current study undertakes a critical examination of an innovative authorial strategy and effects it engenders within contemporary Russian fiction. The scholarly interest in the four novels of two contemporary Russian authors – Mikhail Shishkin and Eugene Vodolazkin – who have repeatedly won the most prestigious literary awards, is the unity of presence of a common theistic thesis and the reflection on time, Russian history, and the fate of Russian people.
The innovative authorial strategy represents an alternative to modernist and postmodernist models of authorial strategies and can be correlated with some post-postmodernist concepts.
Angelina Maslennikova studied Russian linguistics and literature at Lomonosov Moscow State University and received her PhD in Slavic Studies from the Graduate School of Language & Literature – Class of Literature at Ludwig Maximilian University of Munich in 2025. Her research interests include contemporary literature, narrative theory, and cultural theories
The problem with proline – regulation of ribosome stalling by translation factors and codon choice
Get PDFDie bakterielle Translation ist ein essenzieller und hochkomplexer Prozess, der von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird. Prolinreiche Sequenzen stellen hierbei eine besondere Herausforderung dar, da Proline aufgrund ihrer Ringstruktur nur langsam in Polypeptidketten eingebaut werden, und somit einen Ribosomenarrest auslösen können. Dennoch sind Polyprolinmotive aufgrund ihrer strukturellen und funktionellen Bedeutung zentrale Elemente für die Proteinarchitektur. Um die Translation von Polyprolinsequenzen zu ermöglichen, haben Bakterien spezialisierte Strategien entwickelt, die die Translationseffizienz regulieren und die Anpassungsfähigkeit an zelluläre Anforderungen verbessern. Nicht alle dieser Mechanismen sind bisher vollständig bekannt und um die Prozesse der Translation gezielt optimieren zu können, ist ein tieferes Verständnis dieser Systeme von entscheidender Bedeutung.
Zunächst konnten mithilfe von bioinformatischen Analysen und eines Lumineszenz-Reportersystem, das Ribosomenpausen in lebenden Zellen misst, signifikante Unterschiede in der Codonnutzung bei Prolinen in Escherichia coli aufgedeckt werden. Dabei beeinflusst die Wahl der Prolincodons und die Verfügbarkeit spezifischer tRNAs maßgeblich die Effizienz des Einbaus von Prolinen. Die selektive Verwendung verschiedener Codons optimiert somit nicht nur die Translationsseffizienz, sondern dient auch als Mechanismus zur flexiblen Anpassung der Proteinkopienzahl an die Bedürfnisse der Zelle.
Darüber hinaus konnte EfpL als Paralog des Elongationsfaktors EF-P, der die Translation von Polyprolinsequenzen erleichtert, charakterisiert werden. Biochemische und strukturelle Analysen zeigten, dass EfpL eine Schlüsselfunktion bei der Rettung von Ribosomen hat, die an Prolinreichen Motiven feststecken. Die Koexistenz von EF-P und EfpL kann als evolutionärer Mechanismus gesehen werden, der das Wachstum beschleunigt und den Umgang mit Translationsstress optimiert. Ribosomenprofilanalysen enthüllten, dass sowohl EF-P als auch EfpL neben Polyprolinmotiven auch andere Sequenzen erkennen können, die zu einem Ribosomenarrest beitragen. Interessanterweise führte die Überexpression von efp und efpL zu Translationspausen an bestimmten Motiven, was auf eine komplexe Regulierung dieser Faktoren hindeutet. Hervorzuheben ist, dass EfpL den metabolischen Zustand der Zelle durch Lysinacylierungen erfassen kann, wodurch eine präzise Anpassung der Translation an die zellulären Bedingungen ermöglicht wird.
Diese Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Regulation von Ribosomenarrestsituationen durch spezifische Elongationsfaktoren bei und liefern wichtige Einblicke in die Komplexität der bakteriellen Translation und die evolutionären Mechanismen.Bacterial translation is an essential and highly complex process influenced by numerous factors. Proline-rich sequences pose a particular challenge, as the ring structure of proline slows its incorporation into polypeptide chains, often resulting in ribosome stalling. Despite these challenges, polyproline motifs are crucial for protein architecture due to their structural and functional significance. To enable the translation of polyproline sequences, bacteria have evolved specialized strategies that regulate translation efficiency and enhance adaptability to cellular demands. However, not all of these mechanisms are fully understood, and to optimize translation processes effectively, a deeper understanding of these systems is critical.
First, significant differences in proline codon usage in Escherichia coli were identified using bioinformatic analyses and a luminescence reporter system to measure ribosome pausing in living cells. The choice of proline codons and the availability of specific tRNAs significantly influence the efficiency of proline incorporation. The selective use of different codons not only optimizes translation efficiency but also functions as a mechanism to flexibly adjust protein copy numbers to the needs of the cell.
Additionally, EfpL was characterized as a paralog of the elongation factor EF-P, which facilitates the translation of polyproline sequences. Biochemical and structural analyses revealed that EfpL plays a key role in rescuing ribosomes stalled at proline-rich motifs. The coexistence of EF-P and EfpL represents an evolutionary mechanism that accelerates growth and improves the response to translational stress. Ribosome profiling analyses revealed that EF-P and EfpL can recognize other sequences in addition to polyproline motifs that induce ribosome stalling. Interestingly, overexpression of efp and efpL was found to cause translation pauses at specific motifs, indicating a complex regulation of these factors. Notably, EfpL can sense the metabolic state of the cell through lysine acylations, enabling precise adjustment of translation to cellular conditions.
These findings contribute to a better understanding of ribosome stalling and its resolution by specific factors, providing important insights into the complexity of bacterial translation and the evolutionary mechanisms that have led to the development of efficient ribosome rescue processes
