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A retrospective analysis of the changes in antimicrobial resistance of Staphylococcus aureus and MRSA in bovine quarter milk samples from Southern Germany between 2012 and 2022
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A stochastic, particle based model for testing the impact of correlated representation error on data assimilation
Get PDFIn many disciplines, a common problem is to estimate the state of a system by combining a forecast or prediction with observations. Addressing this issue is the central goal of Data Assimilation (DA). In this context, the uncertainties and error correlations of individual observations are encoded in the observation error covariance matrix, and those of the forecast are encoded in the background error covariance matrix. The observation error usually consists of multiple components, originating from the measurement process, the mapping of the state space used to model the system to the observations and the so-called representation error. The latter one originates from the difference between the model used to describe the system and physical reality and will be the focus of this thesis. Despite the fact that the observation error covariance matrix plays a crucial role in DA, the role of its spatial structure and temporal development is still poorly understood and estimating it is extremely difficult for most practical applications. Thus in many cases a diagonal observation error covariance matrix is employed, requiring an uncorrelated data set and often leading to a large percentage of the available data being discarded.
To be able to systematically study the role of the observation error covariance matrix in DA, in this thesis we construct the Stochastic Particle Model (SPM), a simple particle based toy model for liquid water content and number density with well-defined covariances. After constructing the SPM, we numerically calculate the according covariance matrices and relate their features to gravitational sorting and particle geometry. Subsequently, we use the covariance matrices obtained from the SPM in a series of DA experiments, in which we compare the results obtained when using dynamic and static, as well as full, diagonal and block diagonal observation error covariance matrices. In these experiments, we find that correctly specifying the temporal evolution of the observation error covariance matrix is far more important than accounting for its spatial structure.
A further important aspect relevant for the choice between using diagonal or non-diagonal observation error covariance matrices in DA is non-negativity preservation. Thus we consider several strongly simplified examples to show that with non-diagonal background and observation error covariances, we can not ensure that the analysis of the Kalman filter (a common DA algorithm) is non-negative. Furthermore, we carry out a series of numerical experiments to investigate, how using non-diagonal observation error covariance matrices affects the frequency of non-negativity violations
Eine Interventionsstudie am Laparoskopie-Simulator mit Vergleich von HandballerInnen mit Studierenden der Medizin
Get PDFLabel-free monitoring of photolipid bilayer isomerization with single gold nanoprobes
Get PDFThe photolipid azo-PC is a photoswitchable derivative of phosphatidylcholine, containing an azobenzene group in one of its lipid tails. It can be reversibly switched between its trans- and cis-isomeric forms by illumination with ultraviolet (UV) and blue light, respectively. When azo-PC is integrated into synthetic lipid bilayer membranes or biological (cell-) membranes, it is possible to control specific lipid membrane properties such as bending rigidity, fluidity, permeability, membrane fusion, and the formation of lipid domains by optical switching of its conformation. Fluorescence microscopy is widely used to investigate these physical properties of lipid bilayer systems, i.e. of liposomes or supported lipid bilayers (SLBs). However, the interaction between fluorescent molecules and azobenzene-modified photolipids in a bilayer assembly remains largely unexplored. Strong effects are expected, as azobenzenes have been reported as efficient fluorescence quencher in solution or in polymer systems.
One aim of this work was to investigate the influence of fluorescence-labeled lipids on the photo-physics and isomerization behavior of azo-PC in lipid bilayer membranes. In particular, it was analyzed how doping of photolipid membranes with fluorescently labelled lipids that are excited in the red region of the visible spectrum, such as Rhodamine, can accelerate the cis-to-trans switching rate of azo-PC by several orders of magnitude. Red light in particular is favorable for biological applications of photolipids because it penetrates deeper into tissue than light with shorter wavelengths. Therefore, the demonstrated ability to photosensitize azo-PC isomerization with fluorescent dyes opens up new perspectives for the use of photoswitches in biological systems. At the same time, the switching of azo-PC photolipids also leads to a modulation of dye emission. The dependence of fluorescence quenching on photolipid concentration and conformation was also characterized for different fluorophores, revealing significantly more efficient quenching for the cis compared to the trans isomer.
The strong interactions between fluorescent dyes and azobenzene-based photolipids emphasize the need for the development of label-free methods to study switching behavior in photolipid membranes in real time. In this work, two complementary methods were developed and characterized. The first approach is based on the investigation of photoswitchable SLB membranes using plasmonic sensors. For this purpose, Gold nanorods (AuNRs) adsorbed on a glass substrate were coated with a supported photolipid bilayer. The molecules were switched between trans and cis by alternating irradiation with UV and blue light using light-emitting diodes (LEDs). The light-driven changes in membrane properties, associated with changes in membrane thickness, -density, and the conformational changes of the azobenzene lipid tails, lead to alterations in the dielectric environment of the nanoparticles and, consequently, to a measurable shift in the plasmon resonance frequency. The applicability of this approach for analyzing membrane photoisomerization and fluidity was demonstrated through time-dependent measurements of scattering spectra from individual nanorods.
Secondly, an approach to conduct surface enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy of photolipids bilayers on gold nanoellipsoids was developed. The advantage of Raman spectroscopy compared to plasmonic sensing lies in the fact that the SERS spectra contain information about the chemical nature and, therefore, the conformation of azo-PC within the bilayer. To develop a single-particle SERS platform, a method was devised to print AuNRs onto a glass substrate by combining optical forces and plasmonic heating. It was observed that at a certain laser intensity, controlled deformation of the nanorods into nanoellipsoids could be achieved. These ellipsoids exhibit sharper tips at the particle ends, resulting in increased electromagnetic field enhancement, enabling SERS measurements of the switching behavior of photolipids in a bilayer.Das Photolipid azo-PC ist ein photoschaltbares Derivat von Phosphatidylcholin, das eine Azobenzolgruppe in einem seiner Lipidschwänze enthält. Es kann durch Beleuchtung mit ultraviolettem (UV) und blauem Licht reversibel zwischen seiner trans- und cis-isomeren Form geschaltet werden. Wenn azo-PC in synthetische Lipidmembranen oder Zellmembranen integriert wird, ist es möglich, durch das optische Schalten der azo-PC-Konformation spezielle Lipidmembraneigenschaften wie beispielsweise die Biegesteifigkeit, Fluidität, Permeabilität, Membranfusion und die Bildung von Lipiddomänen mit Licht zu steuern. Zur Untersuchung dieser physikalischen Eigenschaften von Lipidsystemen kommt häufig die Fluoreszenzmikroskopie zum Einsatz. Dabei ist die mögliche Wechselwirkung zwischen fluoreszierenden Molekülen und der Photoisomerisierung von azobenzol-modifizierten Lipiden in Membranen von Vesikeln oder oberflächengebundenen Lipidmembranen bisher weitestgehend unerforscht. Starke Effekte sind jedoch zu erwarten, da Azobenzol häufig als Fluoreszenzquencher in Lösung und in Polymersystemen zum Einsatz kommt.
Ein Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von fluoreszenzmarkierten Lipiden auf die Photophysik von azo-PC in Lipidmembransystemen zu untersuchen. Dabei konnte insbesondere gezeigt werden, dass durch die Dotierung von Photolipidmembranen mit Fluoreszenzfarbstoffen, die im roten Bereich des sichtbaren Spektrums angeregt werden, wie beispielsweise Rhodamin, die cis-zu-trans-Schaltrate von azo-PC in diesem Wellenlängenbereich um mehrere Größenordnungen beschleunigt werden kann. Rotes Licht ist für biologische Anwendungen besonders geeignet, da es eine größere Eindringtiefe in Gewebe hat als Licht mit kürzeren Wellenlängen. Die Möglichkeit, Azobenol-lipide mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen zu photosensibilisieren, eröffnet daher neue Perspektiven für den Einsatz von Photoschaltern in biologischen Systemen. Gleichzeitig führt die Wechselwirkung der azo-PC auch zu einer Modulation der Farbstoffemission. Die Fluoreszenzlöschung für verschiedene Fluorophore in Abhängigkeit von der Photolipidkonzentration und -konformation wurde ebenfalls charakterisiert, und es wurde eine deutlich effizientere Fluoreszenzlöschung für die cis-Isomere im Vergleich zur trans-Form festgestellt.
Die starken Wechselwirkungen zwischen Fluoreszenzfarbstoffen und azobenzol-basierten Photolipiden begründen die Notwendigkeit der Entwicklung markierungsfreier Methoden zur Untersuchung des Schaltverhaltens in Photolipidmembranen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei komplementäre Methoden entwickelt um dieses Ziel zu erreichen. Die erste Methode basiert auf der Untersuchung photoschaltbarer, oberflächengebundener Lipidmembranen mittels plasmonischer Sensoren. Dazu wurden Gold-Nanostäbchen auf einem Glassubstrat mit einer Photolipid-Doppelschicht bedeckt, deren Moleküle durch wechselnde Beleuchtung mit UV und blauem Licht zwischen der trans- und cis-Form geschaltet wurden. Die lichtgesteuerte Veränderung der Membraneigenschaften, insbesondere die Veränderung der Membrandicke, -dichte und die Konformationsänderung der Azobenzol-Gruppe, führt zu einer Veränderung der dielektrischen Umgebung der Nanopartikel und damit zu einer Verschiebung der Plasmonresonanzfrequenz. Die Anwendung dieses Verfahrens zur Messung des Membranschaltdynamik und zur Analyse der Membranfluidität konnte mittels zeitabhängiger Messungen der Streuspektren an einzelnen Nanostäbchen gezeigt werden.
Als zweites Verfahren wurde die Möglichkeit der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (surface enhanced Raman scattering, SERS) von Photolipiden auf Gold-Nanoellipsoiden untersucht. Der Vorteil der Raman-Spektroskopie im Vergleich zur plasmonischen Sensorik liegt darin, dass in den Spektren auch Informationen über die chemische Struktur der azo-PCIsomere enthalten sind. Zur Entwicklung einer Einzelpartikel-SERS-Plattform wurde eine Methode entwickelt, um Gold-Nanostäbchen durch die Kombination von optischen Kräften und plasmonischem Heizen auf ein Glassubstrat zu drucken. Dabei wurde beobachtet, dass bei einer bestimmten Laserintensität die kontrollierte Verformung der Nanostäbchen zu Nanoellipsoiden erzielt werden kann. Diese Ellipsoide zeigen schärfere Spitzen an den Partikelenden und dadurch eine erhöhte elektromagnetische Feldverstärkung, die SERS-Messungen der Schaltvorgänge von Photolipiden in einer Lipidmembran ermöglicht
Investigation of innovative scintillating nanomaterials featuring very fast timing with potential applicability in calorimetry
Get PDFParticle detectors are commonly used in high energy physics experiments for the identification of particles and the search for new physics. For future particle physics experiments, fast timing detectors are needed to cope with high event pileup and to enhance particle identification capabilities. Scintillating crystals are often used in both homogeneous and sampling calorimeters. In recent years, significant progress has been made in the development of scintillators, particularly of novel and innovative materials, exhibiting fast light emission. This ongoing research and development is crucial to meet the demands of future detectors designed for high luminosity colliders, where exceptional radiation tolerance and ultra-fast timing are required.
Direct band gap engineered semiconductor nanostructures show a high potential for the emission of prompt photons due to quantum confinement, standing out for their low-cost production and thus also triggering interest in the high energy physics community. These scintillating nanomaterials can already be found in various fields and are well known for applications in solar cells, LEDs, displays and lasers, but less in terms of their use as scintillation detectors.
The objective of this work is to investigate the potential of these interesting scintillating nanomaterials with particular focus on fast timing and their applicability in future calorimetry. In this work scintillating nanomaterials are investigated in terms of their optical and scintillation properties, timing and light output. They show photon emission decay times in the sub-nanosecond range and are in some cases already competitive with conventional plastic scintillators. Although these nanomaterials are characteristic for their very fast timing, many of these scintillators still have low stopping power and low light output, which limits their use in calorimetry. For the evaluation of such scintillating materials a new characterization method was investigated using X-rays. Promising nanomaterials were also explored in terms of timing under high energy particle irradiation to investigate their applicability in calorimetry.
As part of the AIDAinnova project "NanoCal", first calorimeter prototypes were developed at low cost using these interesting nanomaterials based on perovskite nanocomposites. First measurements were made with these prototypes under high energy particle irradiation to access their performance in comparison with conventionally used scintillators.Teilchendetektoren werden in Experimenten in der Hochenergiephysik zur Identifikation von Teilchen und der Suche nach neuer Physik eingesetzt. Für zukünftige Experimente werden Detektoren mit hoher Zeitauflösung benötigt, um mit dem hohen Eventaufkommen umgehen zu können und die Fähigkeiten der Teilchenidentifikation zu verbessern. Szintillierende Kristalle finden traditionell Anwendung sowohl in homogenen als auch in sogenannten Sampling Kalorimetern. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte im Bereich szintillierender Materialien erzielt, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung von neuartigen und innovativen Materialien mit schnellen Lichtemissionsprozessen. Diese Forschung und Entwicklung ist entscheidend, um die anspruchsvollen Anforderungen an künftige Detektoren zu erfüllen, die für Teilchenbeschleuniger mit hoher Luminosität entwickelt werden und wo außergewöhnliche Strahlenbeständigkeit und ultraschnelles Timing erforderlich sind.
Halbleiternanostrukturen basierend auf Quantenpunkten zeigen auf Grund von Quanteneffekten ein hohes Potenzial für die Emission von prompten Photonen und zeichnen sich durch kostengünstigere Produktion aus, was das Interesse im Bereich der Hochenergiephysik weckt. Diese szintillierende Nanomaterialien sind bereits in verschiedenen Bereichen zu finden und sind für Anwendungen in Solarzellen, LEDs, Displays und Lasern bekannt, jedoch weniger in Bezug auf ihre Verwendung als Szintillationsdetektoren.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial dieser innovativen szintillierenden Nanomaterialien zu untersuchen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf hohe Zeitauflösung und auf ihrer Verwendbarkeit in zukünftigen Kalorimetern liegt. In dieser Arbeit werden innovative Nanoszintillatoren hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften, ihres Szintillationsverhalten und ihrer Lichtausbeute detailliert untersucht. Sie zeigen Photonenabklingzeiten im subnanosekunden Bereich und sind vereinzelt bereits durch ihre exzellente Zeitauflösung und hohe Lichtausbeute wettbewerbsfähig mit konventionellen Plastikszintillatoren. Allerdings haben viele dieser Nanomaterialien immer noch eine zu geringe Absorptionsfähigkeit und Konvertierbarkeit, damit einhergehend eine zu geringe Lichtausbeute, und damit eine eingeschränkte Verwendbarkeit in der Kalorimetrie. Zur Charakterisierung solcher Materialien, die sich durch geringe Absorptionsfähigkeit, aber ultraschnelle Szintillation auszeichnen, wurde eine Charakterisierungsmethode mit Röntgenstrahlen entwickelt. Vielversprechende Nanomaterialien wurden mit dem Fokus auf ihre Zeitauflösung auch unter Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen untersucht, um ihre mögliche Anwendbarkeit in der Kalorimetrie abzuschätzen.
Im Rahmen des AIDAinnova Projekts "NanoCal" wurden erste Kalorimeterprototypen unter Verwendung dieser Nanoszintillatoren auf Basis von Perowskit Nanokristallen entwickelt. Erste Messungen mit hochenergetischen Teilchen wurden durchgeführt, um ihre Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Szintillatoren zu erforschen
Biomechanical controls of epithelial morphostasis
Get PDFInteractions in biological systems are myriad. Attempting to understand them provides valuable insights with broader bearing in biology, bioengineering, and medicine. Notwithstanding this immense realm of applications, biology presents unique characteristics that are not present in other "traditional" physical systems, making Biological Physics an exciting area of research that has the possibility of introducing new physics. This thesis will be guided by the leitmotif of understanding the coordination that allows functional patterns to arise in biological matter. In other words, what is the interplay between mechanics and signaling that underlies tissue shape?
The shape of biological tissue arises during development through the combination of morphogenetic signals and local mechanical interactions of the tissues' minimal units, the cells. Measuring mechanical observables such as stress and stiffness is crucial to understanding the shaping that occurs. Direct experimental manipulation of biological samples allows access to these observables at the cost of altering their natural course of development at best and destroying them irreversibly at worst. This restricts the type of phenomena that can be studied using these techniques, as investigating processes taking place over longer time scales would be challenging.
Computational methods such as Stress Inference can overcome these problems. These methods do not require further interaction with the sample aside from microscopy imaging. Nonetheless, no publicly available methods exist to apply Stress Inference to time-dependent systems. In this thesis, I develop an innovative method to infer physical forces from a time series of microscopy images, which enables me to address shape generation (morphogenesis) and maintenance (morphostasis) in vivo. I introduce a formalism to incorporate dynamic information into the inference pipeline and model the cells as a viscoelastic material. With that assumption, I derive a relationship between the elastic and viscous scales for the first time in this type of model.
I introduce ForSys as a new tool that utilizes dynamic microscopic information. I have made ForSys Open Source to enhance its usability and impact in the field of tissue biophysics. Tissues can be represented as a collection of geometrical entities. Vertex models use this approach to simulate the evolution of tissues by changing the position of vertices, representing tricellular junctions of the cells. I also introduce seapipy as a tool to create in silico ground truths of stress distributions from vertex models. Aided by this tool, I streamline the validation of ForSys in static and dynamic in silico settings before moving to in vivo systems. I test ForSys in three different systems belonging to two model organisms. I first show that ForSys' static predictions correlate with Myosin II fluorescence measurements in the Xenopus mucociliary epithelium. Then, I use it to investigate the formation of protoneuromasts in the zebrafish lateral line in the early hours of its development. I find that weighted inferred pressures are a good predictor of rosette formation prior to neuromast deposition. Finally, with ForSys, I study the stress distributions between homotypical and heterotypical cell-cell boundaries in the mechanosensory neuromasts of the zebrafish lateral line. There, ForSys predictions show asymmetries in the stress distributions between different cell types.
I then turn my attention to the process by which sensory hair cells in the neuromast acquire their pattern, the Planar Cell Inversion process (PCI). Through careful quantitative measurements, I show that PCI can be divided into three phases with distinct features. Moreover, I study the process in two mutant lines with knockouts of the Emx2 transcription factor and the Notch1a gene, which are suspected to be involved in the Planar Cell Polarity pathway in the organ. My results show that the mutants have distinctive characteristics to the wild type. Then, I present a simple two-agent model to simulate PCI. I implement a one-dimensional Monte Carlo model that evolves using Metropolis-Hastings importance sampling, with a simple Hamiltonian that incorporates a soft spheres repulsion and attractive wells for each agent. Using the position of the wells, I propose two model alternatives: a symmetrical and an asymmetrical model. I show that the asymmetrical model qualitatively matches the wild-type observations, while the symmetrical model does so with the mutants. Using ForSys, I also show that the stress in homotypic hair cell tight junctions is lower than in the heterotypic junctions between them and the surrounding cells, hinting at adhesion differences consistent with experimental observations.
I introduce two new software tools to aid in the experimental exploration of the mechanical state of biological matter. I apply them to study the PCI process and shed some light on the underlying biology that drives it. I believe that the formalism and tools I made available will push forward the development of better and more complete means to measure mechanical quantities in biological systems, aiding our understanding of morphogenesis and morphostasis at the mesoscopic scale.Wechselwirkungen in biologischen Systemen sind vielfältig. Der Versuch, sie zu verstehen, liefert wertvolle Erkenntnisse, die in der Biologie, der Biotechnik und der Medizin von weitreichender Bedeutung sind. Ungeachtet dieses immensen Anwendungsbereichs weist Biologie einzigartige Merkmale auf, die in anderen ``traditionellen'' physikalischen Systemen nicht vorhanden sind. Die Biologische Physik ist somit ein spannendes Forschungsgebiet, welches möglicherweise neue Physik bietet. Das Leitmotiv der vorliegenden Arbeit ist das Verständnis der Koordination, die die Entstehung funktioneller Strukturen in biologischem Gewebe ermöglicht. Mit anderen Worten: Wie spielen Mechanik und Signalübertragung zusammen, um die Struktur von Gewebe zu bestimmen?
Die Form von biologischem Gewebe entsteht während seiner Entwicklung durch die Kombination von morphogenetischen Signalen und lokalen mechanischen Wechselwirkungen zwischen den kleinsten Einheiten des Gewebes, den Zellen. Die Messung mechanischer Größen wie Spannung und Steifigkeit ist äußerst wichtig für das Verständnis dieser Formgebung. Direkte experimentelle Manipulation biologischer Proben ermöglicht den Zugang zu diesen Messgrößen, allerdings mit der Gefahr, dass der natürliche Entwicklungsverlauf im besten Fall verändert und im schlimmsten Fall irreversibel zerstört wird. Dies beschränkt die Arten von Phänomenen, die mithilfe dieser Techniken erforscht werden können, da länger andauernde Prozesse mit diesen Techniken nur schwer untersuchbar sind.
Computergestützte Methoden wie die Spannungsinferenz können diese Probleme überwinden. Diese Methoden erfordern neben mikroskopischer Bildgebung keine weitere Interaktion mit der Probe. Dennoch gibt es keine öffentlich zugänglichen Methoden, um Spannungsinferenz auf zeitabhängige Systeme anzuwenden. In dieser Arbeit entwickle ich eine innovative Methode zur Ableitung physikalischer Kräfte aus einer Zeitreihe von Mikroskopiebildern, die es ermöglicht, die Formbildung (Morphogenese) und -erhaltung (Morphostase) in vivo zu untersuchen. Ich führe einen Formalismus ein, um dynamische Informationen in die Inferenzpipeline einzubeziehen und modelliere die Zellen als ein viskoelastisches Material. Aus dieser Annahme leite ich zum ersten Mal in dieser Art von Modell eine Beziehung zwischen der elastischen und der viskosen Skala ab.
Ich stelle mit ForSys ein neues Tool vor, das dynamische mikroskopische Information nutzt. Ich habe ForSys Open Source zur Verfügung gestellt, um seine Anwendbarkeit zu erhöhen und seinen Beitrag zur Gewebebiophysik zu optimieren. Gewebe können als eine Sammlung von geometrischen Einheiten dargestellt werden. Vertex-Modelle nutzen diesen Ansatz, um die Entwicklung von Geweben zu simulieren, indem sie die Position von Vertices, also trizellulären Verbindungen, verändern. Außerdem präsentiere ich seapipy, ein Softwaretool, mit dem sich aus Vertex-Modellen in silico Ground Truths von Spannungsverteilungen erstellen lassen. Mithilfe dieses Tools optimiere ich die Validierung von ForSys in statischen und dynamischen in silico Konfigurationen, bevor ich zu in vivo Systemen übergehe. Ich teste ForSys in drei verschiedenen Systemen aus zwei Modellorganismen. Zunächst zeige ich, dass die statischen Vorhersagen von ForSys mit Myosin-II-Fluoreszenzmessungen im mukoziliären Epithel von Xenopus korrelieren. Anschließend untersuche ich mit ForSys die Bildung von Protoneuromasten im Seitenlinienorgan des Zebrafisches in den ersten Stunden seiner Entwicklung. Ich stelle fest, dass der gewichtete abgeleitete Druck ein guter Prädiktor für die Rosettenbildung vor der Ablagerung von Neuromasten ist. Schließlich nutze ich ForSys, um die Spannungsverteilung zwischen homotypischen und heterotypischen Zell-Zell-Grenzen in den mechanosensorischen Neuromasten des Zebrafisch-Seitenlinienorgans zu untersuchen. Dort zeigen die Vorhersagen von ForSys Asymmetrien in der Spannungsverteilung zwischen verschiedenen Zelltypen.
Danach betrachte ich den Prozess, durch den die Haarsinneszellen im Neuromast ihre Struktur erhalten, die ebene Zellumkehr (PCI, Planar Cell Inversion). Durch sorgfältige quantitative Messungen zeige ich, dass PCI in drei Phasen mit unterschiedlichen Merkmalen unterteilt werden kann. Darüberhinaus untersuche ich den Prozess in zwei Mutantenlinien mit Knockouts des Transkriptionsfaktors Emx2 und des Gens Notch1a, von denen man annimmt, dass sie an der planaren Zellpolarität (planar cell polarity) in diesem Organ beteiligt sind. Meine Ergebnisse zeigen, dass der Prozess in den Mutanten andere Merkmale aufweist als im Wildtyp. Anschließend stelle ich ein einfaches Zwei-Agenten-Modell zur Simulation von PCI vor. Ich implementiere ein eindimensionales Monte-Carlo-Modell, das sich mithilfe des Metropolis-Hastings Importance Sampling anhand einer einfachen Hamilton-Funktion entwickelt. Diese besteht aus einer weiche-Kugeln-Abstoßung und Potentialtöpfen für jeden Agenten. Anhand der Position der Töpfe schlage ich zwei Modellalternativen vor: ein symmetrisches und ein asymmetrisches Modell. Ich zeige, dass das asymmetrische Modell qualitativ mit den Beobachtungen des Wildtyps, und das symmetrische mit denen der Mutanten übereinstimmt. Mit Hilfe von ForSys zeige ich außerdem, dass der Stress in homotypischen Haarzellen-Tight Junctions geringer ist als in heterotypischen Verbindungen zwischen ihnen und den sie umgebenden Zellen, was auf Adhäsionsunterschiede hinweist, die mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmen.
Ich stelle zwei neue Software-Tools vor, die bei der experimentellen Erforschung des mechanischen Zustands biologischer Gewebe helfen. Ich wende sie an, um den PCI-Prozess zu untersuchen und die zugrundeliegende Biologie, die ihn antreibt, zu beleuchten. Ich glaube, dass der Formalismus und die Werkzeuge, die ich zur Verfügung gestellt habe, die Entwicklung besserer und umfassenderer Mittel zur Messung mechanischer Größen in biologischen Systemen vorantreiben und unser Verständnis von Morphogenese und Morphostase auf der mesoskopischen Skala unterstützen werden