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Educational Climbers - A theory-based empirical analysis of educational upward mobility of pupils from resource-poor milieus
No full textThe quantitative study deals with the question of under what circumstances adolescents from resource-poor contexts of origin can be successful in school despite of the strong correlation between social background and educational attainment, which can be
detected in Germany. On the basis of Pierre Bourdieu’s “Theory of Practice” and his empirically funded assumption that the education system doesn’t react neutral to the class system, but prefers the hegemonic classes’ social forms of practice (reproduction in
education), the main working hypothesis is that the habitus of the educationally successful pupils from resource-poor milieus are more compliant with the requirements of school than the habitus of pupils who have only little school success but a similar social background.
The study bases on a secondary data analysis
Die Bedeutung der Modulation zellulärer Sauerstoffsensoren für das Wachstum autochthoner Mammakarzinome in der Maus
No full textDie Anpassung an Hypoxie, die in schnell wachsendem Tumorgewebe durch Mangeldurchblutung und Sauerstoffunterversorgung entsteht, wird maßgeblich durch den Transkriptionsfaktorkomplex Hypoxie-induzierbarer Faktor-1 (HIF-1) reguliert. Prolylhydroxylasen (PHDs) kontrollieren den Gehalt der Untereinheit HIF-1α, welche entscheidend für die Aktivität und Zielgenexpression von HIF-1 ist. In in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass der Gehalt an PHD2 sowie die Aktivität durch Stickstoffmonoxid beeinflusst werden können. In einem autochthonen Mausmodell, welches spontan Mammatumore entwickelt, sollte der Einfluss von NO und HIF auf das Tumorwachstum untersucht werden. Dieses Modell ist in der Literatur bekannt für die Entwicklung von soliden Tumoren und Metastasen in den Lungen.
Der HIF-1α-Knockout in den Brustepithelzellen beeinflusste nicht den Beginn des Tumorwachstums, und phänotypisch konnte kein signifikanter Unterschied in den Tumorgewichten am Endzeitpunkt festgestellt werden. Durch die Injektionen des NO-Donors DETA-NO wurden die Tumorgewichte tendenziell erhöht. Des Weiteren wurden keine Lungenmetastasen festgestellt, was zu einem mit den genetischen Hintergrund der Mäuse zusammenhängen kann oder aber mit dem Alter beim Endzeitpunkt. Der HIF-1α-Knockout führte zwar zu einer verminderten Expression von HIF-1α und typischen Zielgenen wie Glucosetransporter 1 und Phosphoglyceratkinase 1 sowie den Entzündungsfaktoren Cyclooxygenase 2 und FOXP3, aber zum hier gewählten Endzeitpunkt konnten keine Unterschiede in der Tumorentwicklung bezüglich der Blutgefäßentwicklung und der Proliferationsrate festgestellt werden. In den Tumoren der Wildtyp-Mäuse konnte eine vermehrte Expression der oben genannten Gene unter Behandlung mit DETA-NO gemessen werden. Dies spricht zumindest dafür, dass die gewählte Dosis von DETA-NO die Tumorzellen erreicht und HIF-1α und PHD2 durch NO in der Aktivität beeinflusst werden.
Die Untersuchung der infiltrierten Immunzellen in Tumoren und sekundären lymphatischen Organe konnte nicht zur Aufklärung der Rolle von NO und HIF auf das Tumorwachstum beitragen. Es konnte zwar eine vermehrte Anzahl an NK-Zellen in den Tumoren, Lymphknoten und Milz der Knockout-Mäuse festgestellt werden, was aber zu dem Endpunkt keinerlei Auswirkungen auf den Krankheitsverlauf hatte.
Dieses Mausmodell bietet im Vergleich zu anderen Xenograft-Modellen sicherlich Vorteile hinsichtlich des intakten Immunsystems und des autochthonen Tumorwachstums, was mit der humanen Tumorentwicklung durchaus vergleichbar ist. Dennoch bringt es auch eine hohe Varianz der Tumorentwicklung aufgrund des genetischen Hintergrundes mit sich. Ob eine höhere Endzahl der Versuchstiere eindeutigere Ergebnisse liefern würde, ist ebenso fraglich, da Vorversuche mit höherer Endzahl auch zu keinen signifikanten phänotypischen Unterschieden führten.The adaptation to hypoxia, resulting in fast-growing tumor tissue from insufficient perfusion, is mainly regulated by the transcription factor complex hypoxia inducible factor-1 (HIF-1). Prolyl hydroxylases (PHDs) control the content of the subunit HIF-1α, which is crucial for the activity and target gene expression of HIF-1. In vitro experiments showed, that the level and activity of PHD2 can be affected by nitric oxide (NO). To investigate the influence of HIF-1α in tumors upon exposure of NO we used an autochthonous mouse model, which spontaneously develops mammary tumors. This model is known in the literature for the development of solid tumors and lung metastases. We used mice with a tumor cell-specific knockout of HIF-1α and mice whose tumor cells expressing HIF-1α as control.
The HIF-1α knockout in the mammary epithelial cells did not affect the tumor onset and no significant differences in tumor weights were determined within both mice strains at the endpoint. In both mice strains a tendency to higher tumor weights caused by the NO donor DETA-NO could be observed. Furthermore, no lung metastases were detected which may be explained by the genetic background of the mice or may be associated with the age at endpoint. Still, the HIF-1α knockout resulted in a reduced expression of HIF-1α and in typical target genes such as glucose transporter 1 and phosphoglycerate kinase 1, as well as inflammation factors like cyclooxygenase 2 and FOXP3, but at the endpoint there were no differences in the development of tumors concerning blood vessel development and proliferation rate. In the tumors of wild-type mice, an increased expression of the genes named above was measured under treatment with DETA-NO. This indicates at least that the selected dose of DETA-NO reached the tumor cells and HIF-1α and PHD2 activity was affected by NO.
The study of the infiltrated immune cells in tumors and secondary lymphoid organs could not contribute to the elucidation of the role of NO and HIF on tumor growth. However, there was an increased number of NK cells in the tumors, lymph nodes and spleen in the knockout mice detected, but with no effect on disease progression at the endpoint.
This mouse model provides in comparison to other xenograft models certainly advantages in terms of the intact immune system and the autochthonous tumor growth, which is quite comparable with the human tumor development. However, it also appears to have a high variance of tumor development due to the genetic background. Whether a higher final number of animals would provide clearer results is also questionable since preliminary experiments with higher final number also resulted in no significant phenotypic differences
Evaluation and comparison of waste heat recovery systems in vehicles under consideration of real driving conditions
No full textZum Thema der Abgaswärmenutzung im Automobil gibt es diverse wissenschaftliche Arbeiten.
In der Regel wird hierbei ein System wie zum Beispiel ein durch Abgaswärme betriebene Rankine Prozess, ein thermoelektrischer Generator, oder die direkte Abgaswärmenutzung untersucht. Bewertungskriterien sind hierbei meistens die Kraftstoffeinsparung in gesetzlich vorgeschriebene Verbrauchszyklen oder stationären Betriebspunkten wie z.B. einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit.
In dieser Arbeit soll über eine Gesamtfahrzeugsimulation der Kraftstoffverbrauchseinfluss durch den Einsatz eines hochtemperaturtauglichen thermoelektrischen Generators, eines
Abgaswärmeübertragers zur Getriebeölerwärmung und der Kombination aus beidem für reales und damit stark unterschiedliches Fahrverhalten bewertet werden. Dafür wird das real auftretende
Fahrzeugnutzungsverhalten in Deutschland analysiert und daraus entsprechende Fahrtypen erstellt. Physikalische Untermodelle für die entsprechenden Fahrzeugkomponenten wie das Getriebe,
die Abgasanlage und die Abgaswärmenutzungskomponente dienen der Berechnung der auftretenden Rückwirkungen im Fahrzeug und werden durch Messungen an den entsprechenden Prüfständen validiert. DesWeiteren wird das Fahrzeugmodell anhand von real durchgeführten Messfahrten überprüft. Da es bisher nur wenige Veröffentlichungen zu detaillierten Untersuchungen an Prototypen von thermoelektrischen Generatoren auf Basis von Hochtemperaturmaterialien für den Einsatz in der Automobilindustrie gibt, liegt hier ein Schwerpunkt dieser Arbeit.
Dazu werden leistungsmindernde Verlustmechanismen bewertet und Stellhebel in der Modulauslegung für eine Leistungsoptimierung identifiziert. Weiterhin werden systembedingte und äußere Einflussfaktoren auf die Kraftstoffeinsparpotenziale der Abgaswärmenutzungskonzepte erfasst und bewertet.There are several scientific researches on waste heat recovery in cars. Generally systems like a rankine-cycle, a thermoelectric generator or a direct usage of exhaust heat are topics of research.
Usually the evaluation criteria are the reduction of fuel consumption in official regulated driving cycles or static operation points i.e. a drive at constant speed. The topic of this research is the comparison
of the influence on the fuel consumption with the usage of a high temperature thermoelectric generator, an exhaust gas heat exchanger for gear box warm up and the combination of both for real and therefor highly different driving behavior with the help of a system simulation.
To evaluate this, an analysis on the usage of cars in Germany has been done and equivalent driving types have been built. Physical submodells for the concerned vehicle components like the
gear box, the exhaust line and the waste heat recovery units are the base to calculate the influence on the vehicle and have been validated at relevant test benches. In addition the vehicle model has been checked with the help of real driving tests. Because there are only a small number of publications about detailed researches on thermoelectric generators prototypes based on high temperature
materials for the usage in automobile industry, this is a main topic of this work.
Therefor reasons for decreases in power are evaluated and operating levers to optimize the module dimension have been identified. Furthermore influences on the potential of fuel saving due to the
system and the environment are determined and estimated
Strategieentwicklung für die Erhaltung der städtischen Gärten und landwirtschaftlichen Flächen- Fallstudie: Stadtbezirk 1, 2 und 18 in Teheran
No full textThe green areas of Tehran as the main natural resources of the city have constantly been destroyed by different economic, ecological, social and legal factors. From 1955 to 2000 more than half of the urban gardens and three quarter of the farmland have disappeared in Tehran. From 1955 to 2000 more than half of the urban gardens and three quarter of the farmland have disappeared in Tehran. Due to the new acts and regulations of the municipality on selling density and land use conversion to cover the city expenses this procedure has worsened since 2000. At the same time, the population has increased from 1.51 to 7.02 million people in this period of time. As a result, the city authorities are confronted by complications to provide Tehran with sufficient urban services, infrastructures, food and natural resources. One of the consequences of this negative cycle has been air pollution. In 1999 the Department of the Environment of Islamic Republic of Iran announced that the costs of Tehran’s Air Quality improvements have been estimated to be $ 1.9 billion in a 10 year plan.
Moreover, it has to be mentioned that according to the Climate Change Performance Index (CCPI) Iran is on the list of the ten largest CO_2 emitters. These countries account for more than 60 percent of global emissions. Therefore, their future willingness and ability to pursue a sustainable climate policy is a requirement to avoid a highly dangerous level of climate change.
The socioeconomic effects of the lack of green open spaces in the city, the huge change in the appealing image of old Tehran and the psychological impacts on people’s lives are side effects which have been forgotten in comparison to the serious irreversible impacts the green land destruction has brought to the city. Most of the people have lost the emotional connectivity to urban ecology and the place they live; On the other hand, land price has increased dramatically in the last decade in Tehran and land speculation itself, especially in the regions with higher amounts of green areas have been one of the reasons of green lands destruction as well.
Although the green lands’ destruction is perceived as an ecological problem, it has to be solved by taking into consideration all the above mentioned aspects of the complex urban system. Therefore, the theoretical basis has been developed upon the four modified interdisciplinary dimensions of sustainable development: social-cultural, economic-financial, institutional-juristical and eco-urban factors. In this research, at the first stage the different factors which have had influence on the urban gardens and agricultural lands’ destruction have been derived; at the second stage the DPSIR model has been developed and the derived factors have been categorized by AHP model which have been formed according to the theoretical basis.
The final policies to preserve urban gardens and farmlands in Tehran have been presented in three scale levels: macro, meso and micro scale. The framework of the policy-making is based on the weight and importance of the 62 sub-criteria according to AHP model results in Expert Choice. At the macro scale the general aims in the four sustainable dimensions are discussed, whereas in the meso scale “The introduction to Tehran Preservation Act” has been presented and at the micro scale the policies have been developed in each region according to the local socio-economic, cultural, urban and ecological characteristics. TPI or Tehran Preservation Institute has to be established with the new management structure which has been formed by taking into consideration the successful concrete universal examples and the unsuccessful Iranian plans/laws. Since the results of the methodology show that the economic-financial and institutional-juristical factors have the highest influence on the green lands’ administration in Tehran, at the end a brief summary of the suggestions for the new sustainable municipality revenues have been also discussed.
As a result, the multidimensional and interdisciplinary policy making which is a new approach in preserving the green lands in Tehran has been implemented according to local characteristics, universal concrete projects, aerial photos analysis, local plans, experts’ ideas and comparison study with successful cities
Mediale und sprachliche Möglichkeitsräume in digitaler Schriftlichkeit - Eine Studie zu Facebook-Pinnwänden in Luxemburg
No full textIm Fokus der Studie steht die Analyse der medialen und sprachvariativen Möglichkeitsräume der luxemburgischen Facebook‐Kommunikation in den neuartigen Alltagsroutinen der Pinnwandgespräche. Die medialen Kommunikationsbedingungen der Pinnwandgespräche (1. Teil der empirischen Studie) charakterisieren die außersprachlichen Gegebenheiten bzw. die kommunikativen Grundvoraussetzungen, die die Versprachlichungsstrategien steuern (2. Teil der empirischen Studie).
Theoretischer Ausgangspunkt ist dabei die zunehmende Verwischung der Grenzen von Mündlichkeit und Schriftlichkeit in der digitalen Kommunikation bzw. das eingegrenzte konzeptionelle Kontinuum fürs Luxemburgische, deren Ausprägungen als hybride Oraliteralitätsmerkmale interpretiert werden. Zur Untersuchung der eingesetzten Ressourcen der Facebook‐Nutzer wird ein repertoireorientierter Ansatz verwendet, der es ermöglicht, die Sprachdaten auf unterschiedlichen linguistischen Ebenen zu untersuchen. Sämtliche medialen und sprachlichen Erscheinungsformen dieser oraliteralen Prozesse werden als Möglichkeitsräume interpretiert (in einem Kontinuum von Mündlichkeit und Schriftlichkeit). Umrahmt werden die Pinnwandgespräche von dem kommunikativen Ausgangspunkt, dass jegliche Form von Interaktion vor einem mitlesenden und kommentierenden Publikum erfolgt
Generalized theta functions for holomorphic triples
No full textSei "X" eine glatte projektive Kurve über einem algebraisch abgeschlossenen Körper beliebiger Charakteristik. Ein Tripel auf "X"ist ein Tripel "(E_1,E_2,\varphi)", wobei "E_1,E_2" Vektorbündel auf "X" sind und "\varphi\colon E_2\rightarrow E_1"ein Morphismus ist. Für Tripel können wir den Begriff der (Semi-)Stabilität einführen, der von einem reellen Parameter "alpha" abhängt, und dann den Modulraum "alpha"-semistabiler Tripel untersuchen. Die Eigenschaften von Tripeln und ihren Modulräumen sind von S. B. Bradlow, O. Garcia-Prada, P. B. Gothen und A. Schmitt in Charakteristik "0" untersucht worden. In Falle beliebiger Charakteristik ist der Modulraum "alpha"-semistabiler Tripel ein Spezialfall der Modulräume von Köcher-Darstellungen in der Kategorie der Vektorbündel über Kurven, was von L. Alvarez-Consul gezeigt wurde. Bis heute gibt es noch einige fehlende Teile in der Theorie der "alpha"-semistabilen Tripel: orthogonale Objekte, verallgemeinerte Theta-Geradenbündel und verallgemeinerte Theta-Funktionen, die bisher im Modulraum von Vektorbündeln über Kurven definiert und untersucht wurden. In dieser Arbeit versuchen wir diese fehlenden Teile zur Theorie der Tripel hinzuzufügen. Zuerst verallgemeinern wir einige Eigenschaften "alpha"-semistabiler Tripel in beliebige Charakteristik. Dann definieren wir "alpha"-orthogonale Tripel und zeigen, dass die "alpha"-Semistabilität von Tripeln aquivalent zu der Existenz von "alpha"-orthogonalen Tripeln ist. Wir definieren und untersuchen Eigenschaften von verallgemeinerten Theta-Geradenbündeln und von Theta-Funktionen auf dem Modulraum "alpha"-semistabiler Tripel erzeugter linearer Systeme: Ampelheit, globale Erzeugung und die universelle Eigenschaft, etc. Zuletzt geben wir auch einen neuen Beweis von Langtons Bewertungskriterium für Tripel
BENA SustLabs. Offices as learning spaces of sustainable practices in everyday life. Evaluation of a sustainability project at University of Duisburg-Essen
No full textDiese Dissertation dokumentiert eine Fallstudie an der Universität Duisburg-Essen (Deutschland, NRW) und berücksichtigt dabei die theoretischen Ansprüche der Kommunikationswissenschaft. Die Fallstudie erörtert, wie nachhaltiges Verhalten in den Arbeitsalltag integriert werden kann. Sie wurde durchgeführt, um ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, was Nachhaltigkeit am Arbeitsplatz bedeutet und, um Wege zu identifizieren Mitarbeiter zu befähigen ihre Arbeitsplätze und -weisen nachhaltiger zu gestalten. Dabei ist die Studie von der Praxistheorie geleitet, welche das Augenmerk auf das Gewöhnliche, das Normale in den alltäglichen Verhaltensroutinen richtet. Dieser theoretische Ansatz wird mit dem praktischen Ansatz des Living Labs verbunden, in welchem Produktinnovationen getestet und weiterentwickelt werden und hier als Sustainability Lab (SustLab) modifiziert wird. Dabei ist die Annahme leitend, dass sozial-ökologische Verhaltensweisen vor allem dadurch gefördert werden, dass die Beforschten ihre eigenen Ideen und Erfahrungen in den Forschungsprozess einbringen können. Hierfür wurde das Forschungskonzept der Sustainability Labs mit einem Mixed-Method-Design kombiniert. Das Konzept der Sustainability Labs folgt dem beobachtbaren Trend in den Angewandten Wissenschaften, verstärkt Experimentalräume für Nachhaltigkeit zu schaffen.This thesis presents theoretical approaches of communication science in the light of a case study at the University of Duisburg-Essen (Germany, North-Rhine Westphalia). The case study investigated how sustainable behavior can be introduced and implemented into people’s daily work routines in the office. It was conceived in order to better understand what sustainability in the workplace means and identify ways in which people can become more committed to create sustainable workplaces and working patterns. The study is guided by theoretical concepts of practice theory, which focus on everyday behavioral routines. This theoretical approach is connected to the practical approach of Living Labs (LL), in which product innovations are tested and further developed. These theoretical and practical implications are combined and here defined as Sustainability Labs (SustLabs). Because the case study is led by the assumption that social-ecological behavior is especially well promoted, if the users are able to bring their own ideas and experiences to the research process. Therefore the empirical concept of SustLabs used a mixed method design of qualitative and quantitative data. The SustLab-Concept follows the observable trend in applied sustainability sciences of creating experimental spaces of sustainability
Teilautomatisierte Erstellung und Anpassung von Komponenten-Kennfeldern für Gasturbinen mit Hilfe von Betriebsdaten-Auswertung und numerischen Näherungsverfahren
No full textIn dieser Dissertation wird die methodisch zusammenhängende thermodynamische Modellbildung von Heavy-Duty Gasturbinen auf Basis von Betriebsmessdaten dargestellt. Die wichtigsten Punkte der entwickelten Modellbildung sind die Validierung der Daten, die Dekorrelation von Messwerten und zeitlichen Einflüssen sowie die automatisierte Adaption von Stromlinienkrümmungsverfahren für Verdichter und Turbine an den Messdatensatz durch Kalibrierung der zu Grunde liegenden Verlustkorrelationen.
Der vorgestellte Ansatz zur Validierung von Betriebsmessdaten basiert auf drei Stufen. Die erste Stufe ist eine signalverlaufbasierte Prüfung vor Beginn der thermodynamischen Auswertung, um große Abweichungen zu identifizieren. Die zweite Stufe ist die Erkennung spontaner Signalabweichungen mit zu geringer Amplitude, um während der ersten Prüfung vor der thermodynamischen Auswertung erkannt zu werden. Der in der zweiten Stufe genutzte Ansatz kann alle thermodynamisch relevanten Fehlerszenarien zu 100% korrekt identifizieren. Die notwendige Abweichung für die Detektion einer Anomalie beträgt hierbei das Dreifache der Standardabweichung des jeweiligen Signals. Die dritte Stufe ist die Erkennung langsam steigender Abweichungen. Aufgrund der Nicht-Anwendbarkeit der Einzelfehlerhypothese für dieses Szenario wird ein auf Fuzzylogik basierter Algorithmus mit dem Fehlerisolator aus der zweiten Stufe als Rechenkern entwickelt. Dieses System berücksichtigt erstmalig die Präzision der Lösungen in den einzelnen Fehlerkombinationssets und wird intensiv auf Basis realer Daten und unter Berücksichtigung des Einflusses verschiedener Alterungsgradienten getestet.
Nach der Validierung der Daten wird aufbauend auf dieser Datenbasis ein Verfahren entwickelt, um die unweigerlich auftretenden Alterungseffekte aus dem Datensatz zu entfernen und so die Datenqualität signifikant zu verbessern. In diesem mehrstufigen Prozess werden die Performancewerte für Verdichter und Turbine sequentiell von Alterungseffekten bereinigt. Hervorzuheben hierbei ist, dass in diesem neu entwickelten Vorgehen die Korrektur nicht nach Auswertung des Datensatzes erfolgt, sondern die notwendigen Korrekturen in den Rohdatensatz eingebracht werden. So ist sichergestellt, dass alle Performancewerte auch nach Alterungskorrektur die Energie- und Massenbilanzen erfüllen.
Der so bereinigte Datensatz stellt die Basis für die automatisierte Kalibrierung von zwei verschiedenen Stromlinienkrümmungsverfahren für die Simulation von Verdichter und Turbine dar. Das angewendete Kalibrierungsverfahren ist für beide SKV im Kern identisch, unterscheidet sich jedoch in zwei wesentlichen Punkten. So wird für den Verdichter ein Ansatz mit wenigen Kalibrierungsfaktoren gewählt, welche im Gegenzug über den Lastbereich variabel gestaltet werden können. Für die Kalibrierung der Turbine wird hingegen der Ansatz gewählt, möglichst viele, dafür aber über den Lastbereich konstante, Kalibrierungsfaktoren zu nutzen. Vor- und Nachteile beider Ansätze werden ausführlich diskutiert. Weiterhin unterscheiden sich die Kalibrierungsverfahren darin, dass das SKV Verdichter sowohl bezüglich des Verdichterwirkungsgrades als auch des Verdichtermassenstromes kalibriert wird, während das SKV Turbine bezüglich des Wirkungsgrades kalibriert wird.
Beiden Kalibrierungsansätzen ist gemein, dass sie sowohl direkte als auch indirekte Limitierungen der Kalibrierungsparameter erlauben. Insbesondere die Einbindung indirekter Randbedingungen ermöglicht eine physikalisch basierte Eingrenzung der Kalibrierungsparameter, welche den Umgang mit den Randbedingungen deutlich intuitiver und effektiver gestaltet. Weiterhin bieten die entwickelten Kalibrierungsansätze erstmalig die Möglichkeit, durch Zuordnung von Varianzen zu den Kalibrierungsparametern eine Gewichtung einzubringen, um so den Erfahrungsschatz des Anwenders in der Kalibrierung zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse zeigen in beiden Fällen eine deutliche Verbesserung im Hinblick auf eine präzisere Beschreibung der Performance der Komponenten, so dass die kalibrierten Stromlinienkrümmungsverfahren auch für eine sinnvolle Extrapolation der Komponentenkennfelder genutzt werden können. Dieses Vorgehen führt somit insbesondere im nicht durch Betriebsmessdaten abdeckbaren Kennfeldbereich zu einer deutlich erhöhten Sicherheit in der Performancevorhersage bei gleichzeitig reduziertem Einflusses des Anwenders auf das Endergebnis.
Das hier vorgestellte Verfahren ist vor allem für ältere Gasturbinen Versionen nutzbar, eröffnet jedoch auch Möglichkeiten der weiterführenden Anwendung, unabhängig von Version und Alter der Gasturbine
Simulations of peptides, proteins and biomembranes with Molecular Fragment Dynamics (MFD)
No full textDie dissipative Partikeldynamik (DPD) ist eine etablierte mesoskopische Simulationsmethode für komplexe Fluidsysteme, deren Partikel geeignete Fluidelemente repräsentieren. Dabei werden die konservativen Kräfte zwischen Partikelpaaren durch jeweilige isotrope Repulsionsparameter quantifiziert. Die molekulare Fragmentdynamik (MFD) ist eine DPD-Variante, die kleine Moleküle als DPD-Partikel definiert. Größere Moleküle werden dann aus Partikel-„Fragmenten“ zusammengesetzt, die über harmonische Federn verbunden sind. Die MFD-Methode wurde bereits erfolgreich für die Untersuchung von amphiphilen Polymeren, Mikroemulsionen und nichtionischen Tensiden eingesetzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Erweiterung und Validierung des MFD-Ansatzes für die Simulation biomolekularer Systeme mit Membranen, Peptiden oder Proteinen zu realisieren.
Dazu wird zunächst ein Satz von MFD-Fragmenten definiert, der eine geeignete Fragmentierung der in den Biomembranen auftretenden Phospholipide sowie der die Peptide/Proteine konstituierenden Aminosäuren ermöglicht. Für die Beschreibung der jeweiligen fragmentbasierten Molekültopologie wird eine neue einzeilige Textnotation (fragment SMILES oder kurz fSMILES) eingeführt, die sich an der bekannten SMILES-Kodierung orientiert. Die DPD-Repulsionsparameter für alle auftretenden Fragmentpaare werden mit Molekulardynamiksimulationen bestimmt und mit einer neu entwickelten Verwaltungsapplikation dokumentiert. Ein Ad-hoc-Konzept für die Berücksichtigung elektrostatischer Ladungen und Kräfte in MFD-Simulationen wird vorgeschlagen, getestet und eingesetzt. Speziell für Peptide und Proteine werden harmonische Federkräfte zwischen den Rückrad-Fragmenten implementiert, die eine Stabilisierung ihrer räumlichen 3D-Struktur mit variablen Flexibilitätsgraden ermöglichen, da die isotropen DPD-Partikelwechselwirkungen die tatsächlichen räumlich-gerichteten atomaren Wechselwirkungen prinzipiell nicht adäquat widerspiegeln. Für die praktische Durchführung der biomolekularen Simulationen wird die MFD-Simulationssoftware MFD-FormulaOne mit umfangreichen neu entwickelten Funktionsbibliotheken und (Peptid-/Protein-)Editoren erweitert. Dabei wird nach Möglichkeit auf bestehende Open-Source-Bibliotheken (CDK, Jmol, BioJava) aufgesetzt. Das erweiterte Simulationssystem ermöglicht schließlich eine vollständig automatisierte Verarbeitung der in „Protein-Data-Bank“-Einträgen enthaltenen topologischen und räumlichen Peptid-/Protein-Information.
Zur ersten Validierung der erweiterten Software werden zunächst die Polyoxyalkylethertenside C6E6, C10E6, C12E_6 und C16E6 an einer Wasser-Luft-Grenzfläche simuliert. Die erhaltenen nanoskaligen Strukturen im thermodynamischen Gleichgewicht, die berechneten Oberflächenspannungen sowie die Ergebnisse für die Mizellenbildung weisen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen auf.
Für die Untersuchung von Biomembranen werden geeignete Fragmentierungsschemata für alle auftretenden Phospholipide erarbeitet. Die Simulation von 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin-(DMPC)-, Endoplasmatischen-Retikulum-(ER)-, Mitochondrium- und Plasma-Modellmembranen führt zu stabilen Doppelschichten mit Geometrien, die experimentellen Untersuchungen gut entsprechen, wobei auch die bekannten Lipid-Fluktuationen zwischen den beiden Schichten der Doppelmembranen auftreten. Mizellenbildung sowie spontane Vesikelbildung können für alle untersuchten Membrantypen simuliert werden. Die Fusion eines DMPC-Vesikels mit einer DMPC-Membran wird zudem erfolgreich dargestellt.
Die flexible räumliche Stabilisierung des Proteinrückgrads mit harmonischen Federkräften wird für das hantelförmige Calmodulin eingehend untersucht: Dazu werden Simulationsserien mit unterschiedlichen Federkräften durchgeführt und die dazu gehörenden räumlichen Proteingeometrien ausgewertet. Es zeigt sich, dass die langreichweitigen Federkräfte in erster Linie für die Aufrechterhaltung der 3D-Struktur entscheidend sind. Die Stabilität einer Protein-Quartärstruktur wird mittels einer MFD-Langzeitsimulation für die Aggregation der Untereinheiten des Hämoglobin-Tetramers gezeigt. Dies belegt, dass die MFD-Methode die gemittelte Wechselwirkung zwischen Proteinoberflächen adäquat beschreiben kann.
Für das Studium der Wechselwirkung von Peptiden/Proteinen und molekularen Oberflächen werden zwei Modellsysteme untersucht. Zum einen wird die bekannte destruktive Wirkung des Pflanzendefensins Kalata B1 auf eine biologische Plasmamembran erfolgreich simuliert und die Struktur auftretender Membranporen ermittelt. Zum anderen kann die Wechselwirkung von histidinhaltigen Peptiden und Proteinen mit einer technisch relevanten Zinkrizinoleatschicht die postulierte Affinität des Zinkrizinoleats zu stickstoffhaltigen Molekülen aufzeigen.
Zusammenfassend kann die in dieser Arbeit erweiterte MFD-Methode als neue Simulationstechnik für biomolekulare Systeme gewertet werden, die als mesoskopisch-grobkörniges Verfahren für geeignete Fragestellungen einen um Größenordnungen verringerten Rechen- und Zeitaufwand gegenüber der atomistischen Molekulardynamik ermöglicht.Dissipative Particle Dynamics (DPD) is a well-established mesoscopic simulation method for complex fluid systems whose particles are represented by adequate fluid elements. The conservative forces between particle pairs are quantified by particular isotropic repulsion parameters. Molecular Fragment Dynamics (MFD) is a DPD variant that utilizes small molecules as its particles where larger molecules are assembled with these particle ‘fragments’ connected by harmonic springs. The MFD technique has already been successfully applied to study amphiphilic polymers, microemulsions and non-ionic surfactants. This thesis aims at extending and validating the MFD approach for the simulation of biomolecular systems containing membranes, peptides and proteins.
At first a set of MFD fragments is defined that allows an adequate fragmentation of all membrane relevant phospholipids as well as the amino acids that set up peptides and proteins. For a description of a particular fragment-based molecule topology a new single-line text notation (denoted fragment SMILES or fSMILES) is introduced that is similar to the well-known SMILES code. The DPD repulsion parameters for all fragment pairs are determined by molecular dynamics simulations and documented by a newly developed management application. An ad-hoc concept for the consideration of electrostatic charges and forces in MFD simulations is proposed, tested and applied. For peptides and proteins specific harmonic forces between backbone fragments are implemented that enable a stabilisation of their spatial 3D structures with variable degrees of flexibility since the isotropic DPD particle interactions cannot account for the true spatially directed atomic interactions. In order to practically realize biomolecular simulations the MFD simulation software MFD-FormulaOne is extended with new function libraries and peptide/protein editors where already existing open-source libraries (CDK, Jmol, BioJava) are utilized according to possibility. The extended simulation system allows a completely automated processing of the topological and spatial peptide/protein information contained in Protein Data Bank (PDB) files.
For an initial validation of the extended software the polyoxyalkylether surfactants C6E6, C10E6, C12E6 and C16E6 are simulated at a water-air interface. The resulting nanoscale structures at thermodynamic equilibrium, the calculated surface tensions and the observed micelle formations are in good agreement with experimental findings.
In order to study biomembranes adequate fragmentation schemata for all occurring phospholipids are developed. The simulation of 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin (DMPC), Endoplasmic reticulum (ER), mitochondrion and plasma model membranes lead to stable bilayers with geometries that correspond to experimental results. The well-known lipid fluctuations between both membrane layers do appear. Micelle formation as well as spontaneous vesicle formation can be demonstrated for all studied membrane types. The fusion of a water-filled DMPC vesicle with a DMPC bilayer membrane is successfully simulated.
The flexible spatial stabilization of the protein backbones with harmonic forces is studied with the dumbbell-shaped Calmodulin: Simulation series with different forces are performed and the corresponding spatial protein geometries are analysed. It is shown that the long-range forces are responsible for the preservation of the 3D structure in the first place. The stability of a protein quaternary structure is demonstrated by a long-term MFD simulation of the aggregation of the subunits of the Hemoglobin tetramer. This shows that the MFD method may successfully describe the average interaction between protein surfaces.
To analyse the interaction between peptides/proteins and molecular surfaces two model systems are investigated: First the well-known destructive behaviour of Kalata B1 plant defensins with biological plasma membranes is successfully simulated and the structure of the occurring membrane pores is characterized. Secondly the interaction of Histidine containing peptides and proteins with a technical relevant zinc ricinoleate layer shows the postulated affinity of zinc ricinoleate to nitrogen containing molecules.
In summary it is shown that the extended MFD method may be regarded as a new simulation technique for biomolecular systems. Where it applies the mesoscopic coarse-grained MFD method may reduce the computational costs by orders of magnitude compared to atomistic molecular dynamics
Design Analog FIR Filter for UWB Frequency Band
No full textDie UWB-Technologie hat große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, nachdem sie im Februar 2002 in den USA von der FCC und im Februar 2007 in der EU reguliert wurde. Was UWB-Systeme einzigartig macht ist die Tatsache, dass ihre große relative Bandbreite von bis zu 7.5 GHz in den USA und 2.5 GHz in der EU lizenzfrei für kommerzielle Systeme benutzt werden darf.
In den letzten Jahren wurde weltweit sowohl akademisch als auch industriell viel Forschung im Bereich UWB-Technologie betrieben. Bis zur Ausschöpfung ihres vollen Potentials gibt es jedoch immer noch Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Technologie.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen prinzipiellen Aufbau eines analogen FIR-Filters, der über das gesamte UWB-Band betrieben werden kann, zu entwickeln. Das FIR-Filter-Prinzip ist in der Digitalen Signal-verabeitung, zur Realisierung von Filterantworten mit vorgegebenem Frequenzverhalten, weit verbereitet. Bisher wurde jedoch nur wenige Forschung in der Entwicklung von breitbandigen analogen FIR-Filterschaltungen für den Mikrowellen-Frequenzbereich betrieben.
Während der Realisierung von analogen FIR-Filtern wurden unterschiedliche Konzepte untersucht und mehrere Mikrowellenkomponenten für drahtlose UWB-Kommunikationsanwendungen entwickelt, basierend auf der aktiven Knoten-Topologie. Mit dieser neuen Topologie wird das Wanderwellen-Konzept (Traveling Wave Concept) durch das Knoten-Konzept ersetzt. Der endgültige Filter-Entwurf wurde in MIC-Technologie umgestzt. Die Messergebnisse haben die Möglichkeit des Aufbaus analoger FIR-Filter in dieser Technologie bewiesen und die Simulationsergebnisse validiert. Basierend auf diesen Messergebnissen wurden Ausführungen für verschiedene Anwendungen für das analoge FIR-Filter hergestellt z.B. als adaptive analoge Filter. Dabei wurde ein abstimmbares analoges Filter vorgestellt, das über das gesamte UWB-Band betrieben werden kann und alle Filtertypen (Hochpass, Tiefpass, Bandpass und Bandsperre) unterstützt.
Alle Filter-Typen wurden mit Designbeispielen validiert. Eine Reduktion der Filterordnung ist durch Weglassen der kleinen (nahe 0) Filterkoeffizienten möglich, wobei die dazu gehörige Verzögerung, zur Verzögerung des nächsten Elementes (Taps), mit einem Koeffizienten ungleich Null addiert wird. Eine weitere Anwendung ist die Optimierung der Sendeimpulse, um die Anforderungen an die UWB-Spektrumsmaske zu erfüllen. Dies erlaubt die Koexistenz von UWB-Systemen mit bestehenden Schmalbandfunksystemen und schützt gleichzeitig den UWB-Empfänger vor Störungen, die von diesen Systemen hervorgehen. Zusätzlich können FIR-Filter in Beamforming-Netzwerken eingesetzt werden, um ein frequenzinvariantes Strahlungsdiagramm für das EU UWB-Frequenzband zu erzeugen. Das Konzept der adaptiven Antenne und des adaptiven Nulling wurde dabei verwendet. Dieses minimiert die empfangene Leistung von einer oder mehreren Störquellen. Ferner wurde durch Designbeispiele die Einsatzmöglichkeit von frequenzinvarianten Nullstellen in Antennendiagram für vorgegebene Richtungen demonstriert.UWB technology has drawn great attention after it was regulated in February 2002 in the USA by the FCC1 and in February 2007 in the EU. What makes UWB systems unique is their large instantaneous bandwidth where up to 7.5GHz in the USA or 2.5GHz in the EU are license-free operation for commercial systems. In recent years, more interest has been put into UWB technology worldwide from both industrial and academic research.
However, there are still challenges in making this technology live up to its full potential. The FIR filter principle is widely used in DSP, for the realization of filter responses with prescribed frequency behavior. But only relatively few efforts have been made to produce a broadband analog FIR filter circuit for the microwave frequency range. The objective of this thesis is to develop a principle design of an analog FIR filter, which operates over the complete UWB band. In the course of the research different FIR filter concepts were studied and as a result several microwave components for UWB wireless communications applications were developed, in particular the new active node topology which replaces the earlier traveling wave topology in our FIR filter circuit. The final design was fabricated in MIC technology, and measurement results proved the possibility of building analog FIR filters in this technology and also validated the simulation results. Based on the characterization results for the active node prototype, designs for different applications for the analog FIR filter are presented such as adaptive analog filltering where a tunable analog filter is designed which operates over the complete UWB band and supports all filter types (highpass,lowpass, bandpass and bandstop). Eachfilter type is proven with a design example which tries to achieve useful results with a minimum filter order, thus keeping the circuit layout compact: The weighting coeffcients with small values (close to 0) are omitted, but the delay line continues for the next nonzero coeffcients. Another application is in transmit pulse shaping to fulfill the UWB spectrum mask requirements, with an extension to notch filters for transmit and receive which relieve the coexistence with existing narrowband radio systems and at the same time, protect the UWB receiver against interference coming from these. Additional degrees of freedom can be afforded when analog FIR filters are integrated in UWB antenna array beamforming networks: As one example for the more general concept of adaptive antenna, the generation of a frequency invariant radiation pattern for the EU UWB frequency band is presented and one example design proves the ability of insertion of frequency invariant pattern nulls in prescribed directions which can minimize (null) the received power from one or more interference sources