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Ökotoxikologische Untersuchung zu verkehrsbürtigem Platin in Süßwassersystemen
No full textSince the introduction of Pt as a catalytic element in industrial processes and as an agent in automobile catalytic converters, the emission of the noble metal into the environment has been rising steadily.
Consequently, it has been the objective of this thesis to conduct a thorough investigation of introduction of traffic related Pt into rivers and its subsequent distribution in the abiotic and biotic compartments of these systems. In addition the genotoxicological effects of Pt on aquatic organisms have been studied. Initially, the analytic procedures used in this study have been validated with regard to their suitability for analyzing Pt and other traffic related heavy metals in field samples.
Furthermore, a passive monitoring study at a representative discharge location of road runoff was performed. It provided evidence about the spatial distribution of Pt in river sediments as well as the Pt accumulation in clams. Highest Pt loads were found in the sand fraction of sediment samples. Pt concentrations in sediments were strongly correlated to concentrations of other traffic related heavy metals. The results also confirm that Pt was accumulated by Corbicula sp. in the field. Due to the fact that no correlation between sediment and clam concentration could be observed, it is assumed that Pt was accumulated in soluble form or ingested with small particles from suspended particulate matter. In comparison to other traffic related heavy metals, Pt concentrations in sediment and clam samples were low.
This thesis further aims on the analysis of the accumulation kinetics of Pt in the biota (e.g. bivalves, fish and fish parasites) under laboratory conditions. In exposure studies with Corbicula sp., it could be observed that the accumulation of Pt by the clams is dependent on the ambient Pt concentration. However, due to the accumulation kinetics found for Corbicula sp. it can be concluded that small differences in Pt concentrations of the ambient water (low ng/L range) can not be detected by analyzing clam tissue concentrations. In fish exposure studies, Pt accumulation kinetics for different organs was investigated, along with the influence of endoparasites such as acanthocephalans on the metal metabolism of the fish. In fish, highest Pt concentrations were found in the liver and intestinal tissue of the fish (Squalius cephalus), while concentrations in the muscle tissue were lower. Overall, the highest concentrations were found in the acanthocephalan Pomphorhynchus tereticollis. For chub infected with P. tereticollis, Pt concentrations in liver and intestine were found to be lower compared to Pt concentrations in the respective organs of uninfected fish. As this trend was not observed for fish infected with P. laevis, it can be stated that metal metabolism differs for different host-parasite systems.
Pt induced DNA damage was also investigated for fish and clams. Pt as well as the parasites induced the formation of micronuclei in fish erythrocytes. The micronucleus test did not show any induction of micronuclei in the gill cells and hemocytes of the clams.
This thesis demonstrates that, due to the relatively low exposure levels in the field, acute lethal or toxic effects of Pt can not be observed for bivalves and fish. Additionally, Pt concentrations are also too low for many of the sublethal effects, observed in laboratory studies. However, Pt can induce DNA damage, as was shown for chub. Therefore, it can be assumed that already low Pt concentrations in the field could possibly endanger individual organism. It can be assumed that Pt does not pose a major threat to freshwater systems, however, it needs to be taken into account as an additional stress factor putting pressure on aquatic organisms.Seit der Einführung von Platin als katalytisches Element in industriellen Prozessen und insbesondere in Autoabgaskatalysatoren, hat die Emission von Pt in die Umwelt beständig zugenommen. Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel dieser Arbeit in der detaillierten Untersuchung des verkehrsbedingten Eintrages von Pt in Fließgewässersysteme und möglicher ökotoxikologischer Effekte auf biotische und abiotische Teile dieser Systeme. Um diese Ziele zu erreichen, wurden vier Studien durchgeführt. Zunächst wurden die analytischen Methoden, mit denen Pt und andere verkehrsbürtige Schwermetalle in dieser Arbeit untersucht wurden, einer ausführlichen Validierung unterzogen. Anschließend wurde in einer Freilandmonitoringstudie, die Verteilung von Platin im Sediment und die Aufnahme von Pt durch die Körbchenmuschel (Corbicula sp.), ausgehend von drei Straßenabflusseinleitungen, in drei Transekten untersucht. Relativ hohe Pt-Konzentrationen konnten in den ersten 20 m nach der Einleitung im Sediment hauptsächlich in der Sandfraktion gefunden werden. Die Pt-Konzentrationen korrelierten stark mit denen anderer verkehrsbürtiger Metalle. Auch eine Aufnahme von Pt durch die Körbchenmuschel konnte festgestellt werden. Da die Konzentrationen im Muschelweichgewebe nicht mit denen des Sediments korrelierten, kann davon ausgegangen werden, dass die Muschel Pt in gelöster Form oder als kleine Partikel aufnimmt. Im Vergleich zu anderen verkehrsbürtigen Metallen waren die Pt-Konzentrationen im Sediment und in den Muscheln gering.
In zwei Expositionsstudien wurde die Pt-Aufnahme von Muscheln, Fischen und Fischparasiten eingehender untersucht. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die Pt Aufnahme der Körbchenmuschel abhängig von Pt-Konzentration des Wassers ist. Allerdings können geringe Konzentrationsunterschiede im Wasser (geringer ng/L Bereich) nicht durch die Muschel als Bioindikator angezeigt werden. Auch Fische (Squalius cephalus) nehmen Pt auf. Dabei finden sich höhere Pt-Konzentration in der Leber und dem Darm als im Muskelgewebe. Die höchsten Pt-Konzentrationen konnten jedoch in den Darmparasiten der Fische festgestellt werden. Waren die Fische mit dem Darmkratzer Pomphorhynchus tereticollis infiziert, wurden in den Leber- und Darmproben der infizierten Fische geringere Pt Werte gefunden als in nicht infizierten Individuen. Im Falle der Infektion mit P. laevis konnte dieser Trend allerdings nicht bestätigt werden. Dies deutet darauf hin, dass sich der Metallmetabolismus in verschiedenen Wirt-Parasit Systemen unterscheidet.
Die durchgeführten gentoxikologischen Untersuchungen weisen darauf hin, dass Pt die Induktion von Mikrokernen in Fischerythrozyten erhöht. Bei den Muscheln wurde kein gentoxischer Effekt in Kiemen- und Hämolymphzellen festgestellt.
Insgesamt hat die Arbeit gezeigt, dass akut lethale oder akut toxische Effekte durch Pt für Muscheln und Fische in Fließgewässern aufgrund der geringen Freilandkonzentrationen zurzeit nicht zu erwarten sind. Ebenfalls ist zu bemerken, dass die in anderen Laboruntersuchungen dokumentierten sublethalen Effekte im Freiland nur eine geringe Rolle spielen dürften. Allerdings wurde in dieser Studie auch gezeigt, dass Pt gentoxische Effekte bei Fischen hervorrufen kann. Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass Pt aufgrund seiner bisher niedrigen Konzentration sicherlich nicht zu den kritischen Schadstoffen in Fließgewässersystemen gehört. Nichtdestotrotz zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Pt ein zusätzlicher Stressfaktor für Organismen in Süßgewässern ist
Ultra-fast electrical injection of spin-polarized electrons into single self-organized InGaAs quantum dots
No full textHalbleiterquantenpunkte stellen heutzutage ein breit gefächertes Forschungsgebiet mit enormem Potential für zukünftige Anwendungsgebiete dar. Diese Strukturen mit lediglich wenigen Nanometern Durchmesser besitzen aufgrund ihrer diskreten Energieniveaus herausragende elektronische Eigenschaften, welche völlig neuartige Bauelementkonzepte ermöglichen. Im Rahmen dieser Dissertation werden daher die Möglichkeiten ausgelotet, Diodenstrukturen mit eingebetteten selbstorganisierten Quantenpunkten als potentielle Speicherelemente zu verwirklichen. Ziel ist es dabei, ein einzelnes Elektron in einem einzelnen Quantenpunkt als Träger der gespeicherten Information zu nutzen. Die Information kann hierbei entweder in der Anwesenheit von Ladung im Quantenpunkt oder in der Spinausrichtung des injizierten Elektrons bestehen.
Aufbauend auf dieser Grundidee werden zwei Bauelementkonzepte untersucht: Zum einen wird die Injektion spinpolarisierter Elektronen in einen einzelnen Halbleiterquantenpunkt innerhalb einer „Spin-LED“-Struktur erfolgreich demonstriert. Durch eine erfolgreiche Hochfrequenzanpassung der Probenstruktur können Injektionszeiten von wenigen hundert Pikosekunden bei Spinpolarisationsgraden von annähernd 70% erzielt werden.
Als zweites Konzept wird die gezielte Injektion eines Elektrons in den Quantenpunkt über eine Tunnelbarriere verwirklicht. Es zeigt sich, dass über eine angelegte Spannung die Besetzung des Quantenpunktes mit Ladungsträgern exakt gesteuert werden kann. Die verschiedenen Ladungsträgerkonfigurationen im Quantenpunkt können in überzeugender Übereinstimmung durch ein theoretisches Modell erklärt werden. Bei eingeschaltetem Magnetfeld ergeben sich trotz Abwesenheit eines magnetischen Materials unerwartet hohe Polarisationsgrade des injizierten Elektrons, die durch die starke Tunnelkopplung des Quantenpunktes an ein Elektronenreservoir erklärt werden können.
Auch in diesem Bauelementkonzept können außergewöhnlich schnelle Injektionszeiten erreicht werden. Nach der Präparation eines einzelnen Loches im Quantenpunkt mithilfe eines Laserpulses kann durch einen anschließenden Spannungspuls gezielt ein einzelnes Elektron in Zeiten kleiner als 300 ps in den Quantenpunkt injiziert werden
Development of a Self-Learning Approach Applied to Pattern Recognition and Fuzzy Control
No full textSysteme auf Basis von Fuzzy-Regeln sind in der Entwicklung der Mustererkennung und Steuersystemen weit verbreitet verwendet. Die meisten aktuellen Methoden des Designs der Fuzzy-Regel-basierte Systeme leiden unter folgenden Problemen
1. Das Verfahren der Fuzzifizierung berücksichtigt weder die statistischen Eigenschaften noch reale Verteilung der betrachteten Daten / Signale nicht. Daher sind die generierten Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen nicht wirklich in der Lage, diese Daten zu äußern. Darüber hinaus wird der Prozess der Fuzzifizierung manuell definiert.
2. Die ursprüngliche Größe der Regelbasis ist pauschal bestimmt. Diese Feststellung bedeutet, dass dieses Verfahren eine Redundanz in den verwendeten Regeln produzieren kann. Somit wird diese Redundanz zum Auftreten der Probleme von Komplexität und Dimensionalität führen. Der Prozess der Vermeidung dieser Probleme durch das Auswahlverfahren der einschlägigen Regeln kann zum Rechenaufwandsproblem führen.
3. Die Form der Fuzzy-Regel leidet unter dem Problem des Verlusts von Informationen, was wiederum zur Zuschreibung diesen betrachteten Variablen anderen unrealen Bereich führen kann.
4. Ferner wird die Anpassung der Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen mit den Problemen von Komplexität und Rechenaufwand, wegen der damit verbundenen Iteration und mehrerer Parameter, zugeordnet. Auch wird diese Anpassung im Bereich jeder einzelner Regel realisiert; das heißt, der Anpassungsprozess im Bereich der gesamten Fuzzy-Regelbasis wird nicht durchgeführt
Numerische Untersuchung der Maßstabseffekte an Schiffspropellern
No full textDie Begutachtung des Systems Schiff wird bisher überwiegend anhand von Modellversuchen durchgeführt. Hierbei werden Modelle des Schiffs sowie der Propulsionskomponenten maßstäblich untersucht. Auf der Grundlage der gewonnen Ergebnisse wird u. a. eine Prognose für die Großausführung des Propellers erstellt.
Bei der Durchführung der Modellversuche und Übertragung der Ergebnisse auf die Großausführung sind physikalische Ähnlichkeitsgesetze zur Darstellung ähnlicher Strömungsverhältnisse zu berücksichtigen. Die Voraussetzungen können häufig jedoch nicht eingehalten werden, bspw. kann die Reynoldssche Ähnlichkeit aus technischen Gründen nicht berücksichtigt werden. Diese Gegebenheiten werden durch empirische Korrekturen berücksichtigt, welche die Zunahme des Propellerwirkungsgrads nach sich ziehen.
Aufgrund der Zunahme der Schiffsgrößen sowie der Geschwindigkeiten in den letzten Jahren vergrößert sich der Durchmesser des eingesetzten Propellers. Da die Abmessungen der Versuchsanlagen in den Schiffbauversuchsanstalten unverändert geblieben sind, erhöht sich der zu verwendende geometrische Maßstabsfaktor. Mit der Zunahme des Maßstabsfaktors wächst die Anforderung an die Genauigkeit des Umrechnungsverfahrens der Modellmessergebnisse auf die Großausführung. Eine detailliertere Beschreibung der Maßstabseffekte sowie die Entwicklung eines genaueren Verfahrens sind daher sinnvoll.
Die derzeitig verwendeten Verfahren zur Umrechnung der Kennwerte des Modellpropellers auf die Großausführung basieren im Wesentlichen allein auf der Betrachtung des Profilwiderstands bzw. auf dem Reibungsanteil des Widerstands. Für eine genauere Beschreibung der Maßstabseffekte wurde daher zunächst eine Methode zur Durchführung numerischer Simulationen der viskosen Strömung zur Bestimmung der Freifahrtcharakteristik von Propellern in Modell- und Großausführungsmaßstab erarbeitet. Aufgrund der Untersuchung von möglichen Einflussfaktoren konnte gezeigt werden, dass nicht nur der Widerstand, sondern ebenfalls der Auftrieb einen Einfluss auf die Maßstabseffekte hat. Weiterhin zeigte sich, dass eine zweidimensionale Betrachtung des Maßstabseffekteproblems bei Schiffspropellern die Vernachlässigung der radialen Änderung der Druck- und Schubspannungsverteilung infolge der dreidimensionalen Strömung bedeutet, woraus letztlich ein ungenaueres Umrechnungsverfahren resultiert. Ferner wurde der Einfluss des Umschlags von einer laminaren zu einer turbulenten Grenzschicht auf die Maßstabseffekte am Modellpropeller untersucht. Die vorgenannten Effekte werden in den gängigen Umrechnungsverfahren vernachlässigt.
Aufbauend auf numerischen Untersuchungen an ausgewählten Schiffspropellern wurde ein Verfahren zur Umrechnung der Propellerkräfte und -momente vom Modell auf die Großausführung entwickelt. Das Umrechnungsverfahren berücksichtigt die unterschiedliche Strömung des Modells und der Großausführung sowie die dreidimensionalen Effekte der Grenzschichtströmung. Weiterhin werden geometrische Größen des Propellers für die Beschreibung der Maßstabseffekte verwendet.
Ein Vergleich der Verfahren hat ergeben, dass für das entwickelte Verfahren der Einfluss der Reynoldszahl auf die Kennwerte (Momenten- und Schubbeiwert) qualitativ anders als bei den bisherigen empirischen Verfahren ausfällt. Allen Verfahren gemein ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads. Dieser wird in den empirischen Verfahren primär durch eine Verringerung des Drehmoments bei geringer Zunahme des Schubs erzielt. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren weist dagegen für den Momentenbeiwert eine erheblich geringere Abhängigkeit von der Reynoldszahl auf als bisher angenommen. Die Wirkungsgradzunahme resultiert maßgeblich aus einer Schubzunahme sowie einem nahezu unveränderten Drehmoment
Time-resolved X-ray diffraction with accelerator- and laser-plasma-based X-ray sources
No full textFemtosecond X-ray pulses are a powerful tool to investigate atomic motions triggered by femtosecond pump pulses. This thesis is dedicated to the production of such pulses and their use in optical pump – X-ray probe measurement.
This thesis describes the laser-plasma-based sources available at the University of Duisburg-Essen. Part of it consists of the description of the design, built-up and characterization of a new “modular” X-ray source dedicated to optimize the X-ray flux onto the sample under investigation.
The acoustic wave generation in femtosecond optically excited semiconductor (gallium arsenide) and metal (gold) was performed using the sources of the University of Duisburg-Essen. The physical answer of the material was modeled by a simple strain model for the semiconductor, pressure model for the metal, in order to gain information on the interplay of the electronic and thermal pressures rising after excitation. Whereas no reliable information could be obtain in gallium arsenide (principally due to the use of a bulk), the model for gold achieved very good agreement, providing useful information. The relaxation time of the electron to lattice energy was found to be (5.0±0.3) ps, and the ratio of the Grüneisen parameters was found to be e / i = (0.5±0.1).
This thesis also describes the Sub-Picosecond Pulse Source (SPPS) which existed at the (formally) Stanford Linear Accelerator Center, an accelerator-based X-ray source, and two measurements performed with it. The first one is the detailed investigation of the phonon softening of the A1g mode launch in bismuth upon fluence excitation. Detailed information concerning the new equilibrium position and phonon frequency were obtained over extended laser pump fluences. The second measurement concerned the study of the liquid phase dynamics in a newly formed liquid phase following ultrafast melting in indium antimonide. The formation of the liquid phase and its development for excitations close to the ablation threshold were revealed. Such results were possible to obtain, due to the unprecedented combination of a short X-ray pulse duration and brightness at the SPPS
Wissensmanagement beim altersbedingten Berufsausstieg von Fach- und Führungskräften
No full textDas Umkippen der Alterspyramide aufgrund des demografischen Wandels sorgt in tradi-tionellen Unternehmen und Organisationen für eine Überalterung des Personalbestan-des. Der dramatische Wissensverlust ist nur eine Folge aus der Verrentung großer Ko-horten, dem unternehmensseitig mit Methoden des Wissensmanagements entgegen-gewirkt wird. In dieser Studie wurde die Durchführung eines solchen Verfahrens zum Wissenstransfer zwischen ausscheidenden Mitarbeitern und deren Nachfolgern, der Me-thode Expert Debriefing, bei dem internationalen Maschinenbauunternehmen Schaeffler Gruppe mit Stammsitz in Herzogenaurach wissenschaftlich begleitet und analysiert.
Die Interdisziplinarität sowie die gegenwärtige Forschungslage zur Thematik des Wis-sensmanagements erforderten eine explorative Herangehensweise, verbunden mit einer Befragung der beteiligten Fach- und Führungskräfte anhand von Leitfadeninterviews. Die empirischen Daten wurden mithilfe der Qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring ausgewertet.
Die vorliegende Studie identifiziert die Faktoren, die den Wissenstransfer beim altersbe-dingten Berufsausstieg von Fach- und Führungskräften im Rahmen der Methode Expert Debriefing beeinflussen. Die zunächst sehr heterogenen Ergebnisse aus Perspektive der Fach- und Führungskräfte, der Organisation sowie auch in Abhängigkeit von der Methode selbst konnten zu den vier relevanten Erfolgsfaktoren Kommunikation, Motivation, Zeitfaktor und Berufsbiografie konsolidiert werden, die beim Wissenstransfer mit variierender Priorität berücksichtigt werden müssen. Insgesamt ist der Wissenstransfer beim Berufsausstieg als Teil des organisationalen Wissensmanagements zu sehen, auf den die Erfolgsfaktoren einwirken. Vor diesem Hintergrund besitzt die Methode Expert Debriefing integrativen Charakter, indem sie gemäß des Münchner Modells die tragenden Komponenten Mensch, Organisation und Technik miteinander verbindet.Abstract
The tipping of the population pyramid age structure due to demographic changes repre-sents the major cause for ageing of employees in traditional enterprises and organiza-tions. The dramatic loss of expertise and knowledge is only one of the consequences following retirement of large cohorts of staff, a fact, which companies try to counteract by methods targeting knowledge management.
The present study analyzed the transfer of knowledge between retiring employees and their successors by the method of Expert Debriefing, exemplified within the machine building industry at the international company Schaeffler Gruppe with headquarters in Herzogenaurach, Germany.
The multidisciplinarity as well as the available research data regarding the subject of knowledge management for older employees required an explorative approach, aligned with semi-structured interviews with the leaving specialists and executive managers. Empirical data evaluation was done by qualitative content analysis according to Mayring.
In the present study, critical success factors have been identified which have an impact in transferring knowledge within the method of Expert Debriefing. The heterogeneous results from the perspective of the leaving employees, from the perspective of the organization and on dependency of the method itself have been consolidated to four relevant key success factors: communication, motivation, time planning and professional biography. These key factors have to be considered with different priorities within in the knowledge transfer process depending on assignment and intention of the method Ex-pert Debriefing. Taken together, knowledge transfer going along with retirement may be seen as part of the organizational knowledge management which is clearly affected by the critical success factors. Against this background, the results show that the method of Expert Debriefing displays an integrative character according to the “Munich Model” by linking the supporting elements human, organization, and technolog
Expression und Funktion des fettmasse- und adipositas-assoziierten Gens FTO
No full textExpression und Funktion des fettmasse- und adipositas-assoziierten Gens FTO
Genomweite Assoziationsstudien haben eine starke Assoziation zwischen einem Block von Einzelnukleotid Variationen (single nucleotide polymorphisms - SNPs) im Intron 1 des Fettmasse und Adipositas-assoziierten Gens (FTO), dem body mass index (BMI) und anderen, Adipositas bezogenen Erkrankungen bei Kindern und Erwachsenen vieler verschiedener Populationen gezeigt. Dennoch ist bisher nicht bekannt, wie stark der Effekt dieser Variationen auf die Expression von FTO und/oder anderen Genen ist. Darüber hinaus ist die biologische Funktion von FTO, insbesondere in Bezug auf die Regulation des Körpergewichts, noch immer Gegenstand intensiver Forschung. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Effekts des FTO Genotyps auf die Expression von FTO sowie die Aufklärung der Funktion des FTO Proteins durch Bestimmung der subzellularen Lokalisation und des Effekts der FTO Dosis auf RNA Expressionsprofile und RNA Modifizierungslevel. Daher wurden Expressionsstudien durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Adipositas-assoziierten SNPs und der Expression von FTO und/oder anderen Genen zu untersuchen sowie funktionelle Studien, um Einblick in die Biologie von FTO zu erlangen.
Um die Frage zu klären, ob Adipositas-assoziierte Variationen die Transkription von FTO und/oder anderen Genen in cis beeinflussen, wurden Allel-spezifische Expressionsstudien mittels Primer-Extensions Assays genutzt. In verschiedenen Zelltypen konnte gezeigt werden, dass vom Risiko-Allel des FTO Gens ca. 40% mehr Transkript generiert wird als vom Nicht-Risiko-Allel. Die Charakterisierung einzelner SNPs im Hinblick auf ihre Lokalisation (in silico Ansatz) und Proteinbindeaktivität wies auf eine komplexe Regulation der FTO Expression hin. Dies wurde auch durch die Tatsache unterstützt, dass der zelluläre FTO mRNA Level durch eine Reihe von Transkriptionsfaktoren kontrolliert wird. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Allel-spezifische Expression der benachbarten Gene RPGRIP1L und RBL2 unabhängig vom FTO Genotyp ist.
Zur weiteren Klärung der Funktion des FTO Proteins, wurde der Effekt eines veränderten Protein Gehalts von FTO auf das Transkriptom und die RNA Methylierung untersucht. FTO Überexpression führte zu Veränderungen der steady-state Level von Genen, die bei der RNA Prozessierung und Metabolisierung eine Rolle spielen. Ein Mangel an FTO andererseits wirkte sich auf die Transkriptlevel von Genen aus, die bei der Zellantwort auf Nährstoffmangel beteiligt sind. Untersuchungen zur subzellularen Lokalisation zeigten, dass FTO vermehrt in nuclear speckles (punktförmigen Gebilden im Zellkern) vorkommt werden konnte, in denen RNA Spleißfaktoren gespeichert und modifiziert werden. Außerdem ist FTO in den Nucleoli vorhanden, wo ribosomale RNA transkribiert und prozessiert wird. In vitro Studien hatten Hinweise darauf geliefert, dass FTO als Nukleinsäure Demethylase agiert und dabei Einzelstrang RNA als Substrat bevorzugt. Daher wurden die Effekte von FTO auf RNA Methylierung untersucht. Durch den Vergleich des Gehalts von modifizierten und nicht-modifizierten Ribonukleosiden in RNA aus Gehirn von Fto-defizienten und Wildtyp Mäusen, konnte gezeigt werden, dass der FTO Gehalt das Verhältnis von 3-Methyluridin/Uridin and Pseudouridin/Uridin beeinflusst.
In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass eine erhöhte Expression von FTO eine Prädisposition für Adipositas darstellt, möglicherweise durch Einfluss auf das Transkriptom und RNA Modifizierung. Weitere Untersuchungen werden dabei helfen, den Zusammenhang zwischen der Funktion von FTO, RNA Prozessierung und Adipositas weiter aufzuklären.Expression and Function of the Fat Mass and
Obesity-Associated Gene FTO
Genome-wide association studies have revealed a strong association between a block of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in intron 1 of the fat mass and obesity-associated (FTO) gene, body mass index (BMI) and other obesity-related traits in children and adults of many different populations. Yet, the impact of these variations on expression of FTO and/or other genes has remained unknown. Moreover, the biological function of FTO, in particular its contribution to body weight regulation, is still a subject of extensive investigations. The aim of this thesis was to investigate the impact of FTO genotype on FTO expression and elucidate the function of the FTO protein by determining its subcellular localization and the effect of FTO dosage on RNA expression profiles and RNA modification levels. Hence, expression studies were performed to evaluate the link between obesity-associated SNPs and expression of FTO and/or other genes, and functional studies were performed to gain insight into FTO biology.
Allelic expression studies by primer extension assays were carried out to address the question whether obesity-associated variation affects transcription of the FTO and/or other genes in cis. It was demonstrated that the risk allele of FTO makes about 40% more transcripts than the non-risk allele in the different cell types. Characterization of single polymorphisms with regard to their location (in silico approach) and protein binding activity pointed to a complex regulation of the expression of FTO. This was strengthened by the fact that the cellular the level of FTO mRNA is controlled by a number of transcription factors. Allelic expression of the neighboring RPGRIP1L and RBL2 was shown to be independent of the FTO genotype.
To elucidate the function of the FTO protein, effects of its altered levels on the transcriptome and RNA methylation were investigated. Overexpression of FTO resulted in changes of steady state levels of genes involved in RNA processing and metabolism, whereas deficiency of FTO led to alterations in transcripts levels of genes determining cellular response to starvation. Subcellular localization studies showed that FTO is enriched in nuclear speckles, where RNA splicing factors are stored and modified, and is present in nucleoli, where ribosomal RNA is transcribed and processed. In vitro studies have suggested that FTO acts as a nucleic acid demethylase and prefers single stranded RNA as a substrate. Therefore, the effects of FTO on RNA methylation were investigated. By comparison of content of modified and non-modified ribonucleosides in total brain RNA of Fto-deficient and wild type mice I could show that the level of FTO affects the 3-methyluridine/uridine and pseudouridine/uridine ratios.
In summary, I could show that increased expression of FTO predisposes to obesity, possibly by affecting transcriptome and RNA modifications. Further investigations will help to elucidate the link between FTO function, RNA processing and obesity
Charakterisierung der funktionellen Bedeutung der mikroRNA-34a während der Entwicklung und der Tumorgenese mittels eines Mausmodells
No full textMikroRNAs (miRNAs) sind kurze, nicht-kodierende RNAs, welche durch sequenzspezifische Interaktion mit mRNAs deren Stabilität und Translation regulieren. miRNAs regulieren eine Reihe wichtiger Funktionen während der Entwicklung, der Differenzierung, der
Zellzyklusprogression und der Apoptose. Vorangehende Studien haben eine Beteiligung von miRNAs an der Initiation und der Progression im Krebs aufgezeigt. MiR-34a ist in einigen Tumorentitäten herunterreguliert, so z.B. im Medulloblastom. In primären humanen Medulloblastomen und in den untersuchten Medulloblastomzelllinien war die miR-34a im
Vergleich zu normalem humanen Kleinhirngewebe herunterreguliert. Eine miR-34aÜberexpression in vitro reduzierte die Zellviabilität und die Zellproliferation und führte andererseits zum Anstieg der Apoptose-Rate und der Seneszenz. Des Weiteren wurde die Herunterregulierung der miR-34a Zielgene, MYCN, SIRT1 und E2F3, im Western Blot nachgewiesen. Der Effekt der manipulierten miR-34a- Expression in vivo wurde mittels
zielgerichteter Transgenese in Mäusen untersucht. Hierfür wurden Mäuse generiert, die eine Deletion im miR-34a Gen aufweisen und somit keine funktionelle miR-34a exprimieren können. MiR-34a-defiziente Mäuse waren lebensfähig und fertil. Um einen Überblick über
die physiologische Rolle der miR-34a im adulten Organismus zu bekommen wurden 80 Tiere in einem standardisiertem Screen, der mehr als 300 Parameter umfasst, in der German Mouse Clinic (GMC) phänotypisiert. Die Charakterisierung in der GMC ergab keine phänotypischen Auffälligkeiten in der miR-34a defizienten Maus. In einem etablierten Medulloblastom- Mausmodell, der ND2:SmoA1 Maus, zeigte sich eine tumorgewebsspezifische Suppression der miR-34a. Eine Verkreuzung der miR-34a-defizienten Mäuse mit ND2:SmoA1-Mäusen
führte zu einer Beschleunigung der Tumorbildung. Die Tumore wurden morphologisch und auf Proteinebene näher charakterisiert. Interessanterweise waren SIRT1 und n-MYC sehr stark in den Medulloblastomen der doppelt transgenen SmoA1;MiR-34a ko/ko Mäuse
exprimiert. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass die mikroRNA-34a für die Hirnentwicklung im Normalgewebe nicht essentiell ist, dass ihr Verlust aber in prädisponierten Mäusen die Tumorbildung beschleunigt. Strategien zur Reexpression der miR-34a könnten in Zukunft eine effektive Tumortherapie darstellen
Characterisation of a modular and protein-based contrast agent for Magnetic Resonance Imaging
No full textDie vorliegende Promotionsarbeit befasst sich mit der biochemischen und biophysikalischen Charakterisierung des Proteins Zarvin, welches als erster Ansatz zur Entwicklung eines variablen (modularen) Gadolinium(III)-basierten "T" _"1" -Kontrastmittels zur Detektion von Metastasen mit Hilfe der Magnetresonanztomographie dienen soll. Ein in der Literatur bisher wenig untersuchter Ansatz der direkten Kopplung des Gadolinium(III) an ein Protein sollte dabei weiter evaluiert werden, da dieser Ansatz eine hohe Effizienz des Kontrastmittels bei verhältnismäßig niedrigem Molekulargewicht erlauben würde.
Zarvin wurde am Institut für Bioinformatik der Universität Duisburg-Essen entwickelt und besteht zur Erfüllung dieser Aufgaben aus zwei Domänen, die durch einen flexiblen, aus zehn Glycinen bestehenden, Linker voneinander getrennt sind. Die sich N terminal befindende Domäne ist eine Mutante der sog. B Domäne des Proteins A aus dem Organismus Staphylococcus aureus und wird in der Literatur als Z Domäne bezeichnet. Letztere besitzt die Eigenschaft, selektiv an den "F" _"c" -Bereich humaner (z. T. auch anderer Säugetiere) Antikörper zu binden. Diese Eigenschaft sollte hier dazu genutzt werden, dem Kontrastmittel in Kombination mit kommerziell verfügbaren therapeutischen Antikörpern eine schnell variierbare Zielführung zu unterschiedlichen Zielstrukturen zu ermöglichen. Als C-terminale Domäne des Zarvins wurde zunächst eine hoch affin Ca2+-bindende Mutante eines Parvalbumin-Proteins aus der Ratte, das S55D/E59D α Parvalbumin, gewählt. Diese Domäne sollte dazu genutzt werden, zwei Gadolinium(III)-Ionen zu binden, welche dem Protein die benötigten Kontrast gebenden Eigenschaften eines "T" _"1" -Kontrastmittels verleihen.
Für die Charakterisierung von Zarvin wurden dessen Nukleotidsequenz sowie die Nukleotidsequenz der einzelnen Domänen mittels rekombinanter DNA-Technologie in einen Expressionsvektor kloniert und die entsprechend translatierten Proteine gereinigt. Mit Hilfe von CD- sowie 2D-NMR-Spektroskopie konnte eine korrekte Faltung beider Domänen innerhalb des Proteins Zarvin bestätigt werden. Die Funktionalität der Z-Domäne wurde weiterhin mittels Fluoreszenzmarkierung von Zarvin bzw. analog produzierter Cystein-Mutanten untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Protein in vitro mit ähnlicher Affinität wie die separate Z Domäne an einen IgG-Antikörper bindet sowie in Kombination mit letzerem in der Lage ist, an Zellen mit entsprechenden Zielstrukturen in der Zellmembran zu binden. Die Funktionalität der Parvalbumin-Domäne in Bezug auf die Bindung von Lanthanoiden wie Gadolinium(III) wurde mit Hilfe der Etablierung eines Terbium(III)-Lumineszenz-Systems untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass Zarvin Lanthanoide wie Tb3+ und Gd3+ mit subpicomolarer Affinität bindet. Die mittels CD-Spektroskopie untersuchte thermische Stabilität der Faltung dieser Holoform des Proteins erwies sich als sehr hoch. Ebenso war das Protein zumindest in vitro in fötalem Kälberserum nicht suszeptibel gegenüber proteolytischem Abbau. Beide Eigenschaften zeichnen das Protein als gutes Gerüst für die Entwicklung eines proteinbasierten Kontrastmittels aus.
Zu lösende Problematiken, die in Verbindung mit Zarvin herausgestellt wurden, sind die unter simulierten in vivo Bedingungen sehr niedrigen kinetischen Stabilitäten der Interaktion zwischen der Parvalbumin-Domäne und Lanthanoiden sowie zwischen der Z-Domäne und einem Antikörper. Die Charakterisierung der relaxometrischen Eigenschaften des Zarvin:(Gd3+)2 zeigte, dass eine entsprechende Optimierung dieser kinetischen Eigenschaften lohnend wäre. Die in Form der "T" _"1" -Relaxivität "r" _"1" quantifizierte Effizienz des Zarvin:(Gd3+)2 als "T" _"1" Kontrastmittel erwies sich im Bereich von Feldstärken um 1,5 Tesla und auch noch bei 3 Tesla als sehr hoch. Das in vitro bei diesen Feldstärken geschätzte Detektionslimit liegt im niedrigen mikromolaren Bereich und befindet sich damit in der Größenordnung hoch exprimierter Zielstrukturen auf Tumorzellen. Die in dieser Arbeit experimentell erhaltenen und diskutierten Ergebnisse bilden daher eine Grundlage für Ansätze zur Entwicklung eines verbesserten proteinbasierten "T" _"1" -Kontrastmittels.The present thesis deals with the biochemical and biophysical characterisation of the protein Zarvin, which was designed as a first approach for the development of a variable (modular) Gadolinium(III)-based "T" _"1" contrast agent capable of detecting metastases employing Magnetic Resonance Imaging. For that, a so far hardly investigated approach of directly coupling the Gadolinium(III) to a protein should be further evaluated, because in this way a highly efficient contrast agent based on a relatively low molecular weight could be developed.
Zarvin was designed at the Department of Bioinformatics at the University of Duisburg-Essen. To fulfil both of its tasks, modularity as well as contrast producing properties, Zarvin consists of two domains separated by a flexible decaglycine linker. The N terminal domain is a mutant of the so called B-domain of protein A from Staphylococcus aureus and is designated as Z domain in literature. The latter domain of Zarvin is able to bind selectively to the constant region ("F" _"c" ) of human (in part also of other mammals) IgG antibodies. This property was intended to be used in combination with commercially available therapeutic antibodies to allow for a quick and variable targeting of the contrast agent to different physiological target structures. For the C terminal domain of Zarvin the highly affine Ca2+-binding S55D/E59D rat α Parvalbumin mutant was chosen in a first step. This domain was intended to be used for binding of two Gadolinium(III) ions and thus for providing the necessary contrast producing properties of a "T" _"1" contrast agent.
In order to be able to characterise Zarvin, the nucleotide sequences of Zarvin as well as of the single domains were cloned into an expression vector. After purification of the expressed proteins, the proper folding of both domains within the two-domain protein Zarvin was confirmed employing CD and 2D-NMR spectroscopy. Further, the functionality of the Z domain was investigated using fluorescently labelled cystein mutants of Zarvin. It could be shown that Zarvin in vitro binds to an IgG antibody with an affinity similar to the separate Z domain and that in combination with this antibody Zarvin is able to target cells expressing the respective target structures in the cell membrane. The functionality of the Parvalbumin-domain concerning the binding of lanthanides like Gadolinium(III) was investigated by establishing a Terbium(III) luminescence system. It could be shown that Zarvin binds lanthanides like Tb3+ and Gd3+ with subpicomolar affinity. The thermal stability of this holoform of the protein was investigated using CD spectroscopy and proved to be very high. Further, the protein was in vitro not susceptible towards proteolytic degradation in fetal calf serum. Both properties characterise Zarvin as a good scaffold for the development of a protein-based contrast agent.
Remaining problems to be solved, which were pointed out in combination with Zarvin by simulating in vivo conditions, are the low kinetic stabilities of the interaction between the Parvalbumin-domain and lanthanides as well as between the Z domain and an antibody. The relaxometric characterisation of the Zarvin:(Gd3+)2 complex however showed that an optimisation of the respective kinetic properties would be worthwhile. The quantified efficiency of Zarvin:(Gd3+)2 in terms of the "T" _"1" relaxivity "r" _"1" proved to be very high at field strengths around 1,5 Tesla and also as clearly higher than "r" _"1" values of small molecular weight contrast agents at 3 Tesla. Concerning the detection limit of the contrast agent at these field strengths, low micromolar concentrations were estimated, which are in the range of concentrations of highly expressed target structures in the cell membrane of tumour cells. The experimentally obtained and discussed results of this thesis therefore provide a basis for further approaches to develop an improved protein-based "T" _"1" contrast agent
AC-technology based bipolar high phase order transmission systems
No full textIn dieser Arbeit werden auf Wechselspannungstechnologie basierende bipolare Mehrphasen-Kabelsysteme zum Anschluss großer Windparkcluster vorgestellt und diskutiert. In einem Überblick über andere, derzeit diskutierte Übertragungssysteme wird herausgestellt, dass derzeit oft der Gleichspannungstechnologie der Vorzug eingeräumt wird. Dies wird mit den Zusatzverlusten und dem Blindleistungsbedarf der Wechselspannungstechnologie begründet. Zur Minderung des Einflusses solcher Effekte werden daher mehrere Ansätze verfolgt:
Es werden Kabel mit Verbundleitern zur Übertragung hoher Ströme vorgestellt. Diese längswasserdichte und somit für Seekabel gut geeignete Konstruktion ermöglicht Leiterquerschnitte, die vergleichsweise höhere Übertragungsströme zulassen. Als weiterer Schritt zu höheren Übertragungsleistungen werden bipolare Mehrphasensysteme diskutiert. In diesen wechselspannungsbasierten Systemen entstehen, durch geeignete Transformatorschaltungen, aus dem dreiphasigen Drehstromsystem Spannungen mit vier oder sechs unterschiedlichen Phasenlagen, von denen jeweils zwei um 180° versetzt sind. Um die dadurch generierten Eigenschaften vorteilhaft ausnutzen zu können, werden, neben bestehenden, neue Kabelkonzepte entwickelt:
So wird der Einsatz von Einleiterseekabeln diskutiert, die in Strängen mit je zwei Kabeln angeordnet sind. Aufgrund des bipolaren Charakters des Übertragungssystems sind die einzelnen Stränge magnetisch voneinander entkoppelt, so dass auch bei großen Abständen zwischen den Strängen keine negativen Einflüsse auf die Übertragungsparameter zu befürchten sind. Durch die größere räumliche Trennung ist die thermische Kopplung gering, so dass die einzelnen Stränge höher belastbar sind.
Als Neuerung werden vieradrige Seekabel diskutiert. Dieser Kabeltyp benötigt keine Metallmäntel oder -schirme mit hohen elektrischen Leitwerten, wohl aber eine höhere Aderzahl. Hier können durch Optimierung hohe Übertragungsleistungen erreicht werden, die denen vergleichbarer einadriger Lösungen bei kleineren Systemspannungen entsprechen. Dies stellt geringere Ansprüche an die Isolierung und die Garniturentechnik, weshalb diese Option hochspannungstechnisch und auch vom Gesamtaufwand her interessant ist.
Die Erhöhung der übertragbaren Leistung durch Verbundleiter und die Reduktion der Zusatzverluste führen dazu, dass der Anteil der nahezu konstant bleibenden, spannungsabhängigen Blindleistung an der gesteigerten Übertragungsleistung (Scheinleistung) geringer wird. Somit kann die übertragbare Wirkleistung gesteigert werden. Anhand der für die Nordsee diskutierten Windparkcluster wird gezeigt, dass selbst größte Übertragungsleistungen mit dem auf Wechselspannung basierenden bipolaren Mehrphasensystem über große Distanzen übertragbar sind. Beim Vergleich zur Gleichspannungstechnologie wird deutlich, dass zwar die Kabelverluste bei Wechselspannungssystemen höher sind, aber die Konverterverluste der Gleichspannung die Gesamtbilanz negativ dominieren. Auch ist die Anzahl der notwendigen Verbindungen der Bipolarlösung in den diskutierten Beispielen nur um Eine höher.
An Land können bipolare Mehrphasensysteme mit der gleichen Strangzahl weitergeführt werden. Die Trassen besitzen eine hohe Leistungsdichte, so dass die resultierenden Trassenbreiten schmal ausfallen können. Je nach Übertragungsleistung sind thermisch stabilisierte, abmessungsoptimierte Grabenrückfüllungen notwendig. Zudem wird das Übertragungsvermögen der Landtrasse unter Berücksichtigung der Windlastcharakteristik diskutiert. Bei Landkabelsystemen zeigt sich, dass Mehrphasensysteme geringere äußere Magnetfelder besitzen. Restriktionen, die durch Grenzwerte des magnetischen Feldes entstehen, können durch Anwendung bipolarer Technik umgangen werden. Für besonders niedrige Grenzwerte der magnetischen Induktion wird eine in beiden wechselspannungsbasierten Systemen einsetzbare, in die Einleiterkabelkonstruktion integrierte Schirmungsmaßnahme vorgestellt, die höchste Schirmungsfaktoren auch bei Kabelanlagen großer räumlicher Ausdehnung ermöglicht.In this thesis, AC-based bipolar systems of higher phase order for the connection of offshore-windfarm-clusters are introduced and discussed. In most publications, the VSC-based HVDC technology is the preferred solution for this task. This is justified by the additional losses and the reactive power consumption of the HVAC-technology. These effects cannot be avoided, but their influence can be decreased:
In a first step, submarine cables with a new conductor type combining aluminium and copper for the transmission of high currents is introduced. This watertight construction is well suited for submarine cables. In a next step to higher transmission powers, bipolar systems of higher phase order are discussed. These AC-based systems are generated from three-phase systems by means of transformer groups. The created voltage-systems have four or six phases. There are two or three pairs of voltages with opposing phases (phase-shifts of 180°). To utilise the favourable properties of these bipolar system, existing cable-designs as well as new cable designs are applied:
At first, single-core submarine cables are discussed. Six single-core cables are placed in three strings. In a string, two cables are placed next to each other, whereas the strings itself can have larger spacing. This is because of the bipolar characteristic of each string. The strings are magnetically decoupled so that there are no negative influences on the transmission-line parameters. By the large distances between the strings, they are thermally decoupled, too. This leads to higher current ratings of the system.
As a new cable-design, four-core cables are introduced. This cable-type does not need sheaths with high electric conductivities, but a higher number of cores. Four-core cables can reach the transmission capacity of single-core cables at lower system-voltages. This means lower stresses of the insulation and accessories.
The increased transmission power by the new conductor design and the reduction of additional losses by the bipolar system leads to a better ratio of active- and reactive power. It is shown that the HVAC-bipolar system is suitable to connect the planned windpark-clusters in the German North-Sea to the onshore grid. To show up the effectiveness of the new transmission system, comparisons to VSC-based HVDC-systems are given. It is shown, that the AC-cable losses are still higher than the DC-cable losses but the additional losses of the VSCs dominate the whole power-loss balance. The number of cable-routes of HVAC-systems in the examples is increased by one in comparison to HVDC-systems.
Onshore, bipolar cable systems can find a continuation with the same number of strings. The cable routes have a high power density resulting in smaller trench widths. Depending on the actual transmission tasks, artificial backfill materials can be applied. The geometrical shape of the backfill is optimized. Additionally, the influence of the wind characteristic on the transmission capacity is displayed. Onshore, bipolar cable systems are set into contrast to conventional three-phase systems of equivalent transmission capacities. It is shown, that bipolar cable systems have lower outer magnetic fields. This can help to meet the requirements in case of stricter legal limits. When there is a demand for lowest outer magnetic fields, a new cable construction with integrated electromagnetic shielding is introduced. This shielding measure leads to highest shielding-factors and can be applied to high-power cable routes with large core-spacing