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Elastic properties and electron transport in InAs nanowires
No full textThe electron transport and elastic properties of InAs nanowires grown by chemical vapor deposition on InAs (001) substrate were studied experimentally, in-situ in a transmission electron microscope (TEM). A TEM holder allowing the measurement of a nanoforce while simultaneous imaging nanowire bending was used. Diffraction images from local areas of the wire were recorded to correlate elastic properties with the atomic structure of the nanowires. Another TEM holder allowing the application of electrical bias between the nanowire and an apex of a metallic needle while simultaneous imaging the nanowire in TEM or performing electron holography was used to detect mechanical vibrations in mechanical study or holographical observation of the nanowire inner potential in the electron transport studies. The combination of the scanning probe methods with TEM allows to correlate the measured electric and elastic properties of the nanowires with direct identification of their atomic structure. It was found that the nanowires have different atomic structures and different stacking fault defect densities that impacts critically on the elastic properties and electric transport. The unique methods, that were applied in this work, allowed to obtain dependencies of resistivity and Young’s modulus of -oriented InAs nanowires on defect density and diameter. It was found that the higher is the defect density the higher are the resistivity and the Young’s modulus. Regarding the resistivity, it was deduced that the stacking faults increase the scattering of the electrons in the nanowire. These findings are consistent with the literature, however, the effect described by the other groups is not so pronounced. This difference can be attributed to the significant incompleteness of the physical models used for the data analysis. Regarding the elastic modulus, there are several mechanisms affecting the elasticity of the nanowires discussed in the thesis. It was found that the lattice distortion due to stacking fault does not affect the Young’s modulus significantly. The effect of electron density redistribution is suggested as the main aspect which is responsible for an enhancement of the Young’s modulus by up to 200%. This study suggests that both electrical and elastic properties of the InAs nanowires can be tuned by changing the
defect density.Der Elektronentransport und die elastischen Eigenschaften von InAs Nanodrähten, die durch chemische Gasphasenabscheidung auf einem InAs (001) Substrat gewachsen worden sind, wurden experimentell, in-situ in einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht. Ein TEM-Probenhalter ermöglicht die Messung einer Nanokraft während der gleichzeitigem Abbildung der Biegung eines Nanodrahts. Beugungsbilder aus lokalen Bereichen eines Drahtes wurden aufgezeichnet, um elastische Eigenschaften mit der atomaren Struktur der Nanodrähte zu korrelieren. Ein anderer TEM-Halter erlaubt das Anlegen einer elektrischen Spannung, bei gleichzeitiger Abbildung des Nanodrahts im TEM bzw. der
Durchführung von Elektronenholographie. Mit diesem TEM-Halter wurden echanische
Schwingungen sowie in einer Elektronentransportuntersuchung mittels Holographie das innere Potential des Nanodrahts beobachtet. Diese Kombination der Rastersondenmethoden mit einem TEM ermöglicht es, die gemessenen elektrischen und elastischen Eigenschaften der Nanodrähte mit der direkten Identifizierung ihrer atomaren Struktur zu korrelieren. Es wurde festgestellt, dass die Nanodrähte verschiedene atomare Strukturen und verschiedene Stapelfehlerdefektdichten haben, die sich kritisch auf die elastischen und elektrischen Eigenschaften auswirken. Die Methoden, die in dieser Arbeit angewendet wurden, ermöglichen es, Abhängigkeiten des elektrischenWiderstandes und des Elastizitätsmoduls von Defektdichte und Durchmesser von -orientierten InAs-Nanodrähten zu erhalten. Es stellte sich heraus, dass je höher die Defektdichte ist, umso höher sind der Widerstand und der Young-Modulus. Hinsichtlich des Widerstandes wurde gefolgert, dass die Stapelfehler die Streuung der Elektronen im Nanodraht erhöhen. Diese Ergebnisse stimmen mit der Literatur überein, jedoch wird der Effekt durch die anderen Gruppen nicht so ausgeprägt beschrieben. Dieser Unterschied kann auf die nicht hinreichende Kombination und Korrelation der physikalischen Modelle, die für die Datenanalyse verwendet wurden, zurückgeführt werden. Hinsichtlich des Elastizitätsmoduls gibt es verschiedene Mechanismen, die die Elastizität der Nanodrähte beeinflussen und in dieser Dissertation diskutiert werden. Es wurde herausgefunden, dass Gitterverzerrungen aufgrund von Stapelfehlern den Elastizitätsmodul nicht entscheidend beeinflussen. Der Effekt der Umverteilung der Elektronendichte wird als Hauptaspekt vorgeschlagen, der für eine Verstärkung des Young-Moduls von bis zu 200 % verantwortlich ist. Diese Arbeit zeigt, dass sowohl elektrische als auch elastische Eigenschaften der Nanodrähte durch Ändern der Defektdichte eingestellt werden können
Concept and algorithms for data based, plant-wide control-loop diagnosis
No full textDie zugrundeliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Regelgrößenüberwachung von industriellen Großanlagen. Es werden neu entwickelte und bekannte Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung anlagenweiter Störungsverursacher mit Verfahren der Diagnostik einzelner Regelkreise kombiniert. Durch die Kombination beider Herangehensweisen (Fehlererkennung und Fehlerdiagnose) lassen sich im Falle einer anlagenweiten Störung, etwa durch die fehlerhafte Einstellung eines einzelnen Reglers, schnelle und zuverlässige Aussagen ebenso über den Verursacher als auch den Grund der Störung treffen. Sowohl die Verursachererkennung als auch die Diagnostik beruhen auf datenbasierten Algorithmen, so dass keine a priori Kenntnisse der vielen einzelnen Prozesse nötig sind. Ferner sind sämtliche Algorithmen der Arbeit so konzipiert, dass sie ohne weiteres in gängigen Prozessleitsystemen implementiert werden können. Die Wirksamkeit des Konzepts und der Algorithmen wird anhand von Simulationen und vielen Industriedatensätzen vorgestellt
Domain Decomposition Methods for Elastic Materials with Compressible and Almost Incompressible Components
No full textDomain decomposition methods are iterative methods to solve large systems of equations, obtained, e.g., from finite element discretization. Here, the domain is decomposed into smaller subproblems, which can be solved in parallel. In the first part of this work, new condition number bounds are proven for a FETI-DP type (Finite Element Tearing and Interconnecting Dual-Primal) domain decomposition method for compressible linear elasticity in 3D. Each subdomain may contain an inclusion having different material properties. The condition number bound only depends on the subdomain diameter, the finite element diameter, and the thickness of the compressible hull. It is independent of the material parameters in the inclusions, thus almost incompressible inclusions are also possible. In the second part of this thesis a new coarse space for FETI-DP methods for almost incompressible linear elasticity on the whole domain is presented. This coarse space is much smaller than the standard coarse space for FETI-DP or BDDC methods for almost incompressible linear elasticity.Gebietszerlegungsalgorithmen sind iterative Verfahren zum Lösen großer Gleichungssysteme, die z. B. durch den Finite-Elemente-Ansatz entstehen. Dabei wird das Ausgangsproblem in kleinere Teilprobleme zerlegt, die dann parallel gelöst werden können. Im ersten Teil der Arbeit werden neue Konditionszahlabschätzungen für Gebietszerlegungsverfahren vom FETI-DP- Typ (Finite Element Tearing and Interconnecting Dual-Primal) für kompressible lineare Elastizitätsprobleme in 3D bewiesen, wobei in jedem Gebiet Einschlüsse mit anderen Materialparametern eingebettet sein können. Die Abschätzungen hängen dabei nur von dem typischen Teilgebietsdurchmesser, dem Finite-Elemente-Durchmesser und der Breite einer kompressiblen Hülle ab. Sie ist unabhängig von den Materialparametern in den Einschlüssen. Auch fast-inkompressible Einschlüsse sind möglich. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer Grobgitterraum für FETI-DP-Verfahren für fast-inkompressible Elastizität vorgestellt. Dieser Grobgitterraum ist erheblich kleiner als bisher bekannte Grobgitterräume für FETI-DP oder BDDC-Verfahren für fast-inkompressible lineare Elastizität
Functional analysis of Numb and redefinition of the human hematopoietic hierarchy
No full textHämatopoetische Stammzellen (HSZ) müssen in der Lage sein, die tägliche Produktion von Milliarden von spezialisierten Blutzellen aufrecht zu erhalten. Sie stellen die bislang am besten untersuchten somatischen Stammzellen dar, aber die Mechanismen, die ihre Entwicklung und ihre Differenzierung regulieren, sind weitgehend unklar. Vordaten aus unser Arbeitsgruppe deuten darauf hin, dass Numb, eine aus Drosophila als Antagonist des Notch-Signalweges bekannte Zellschicksalsdeterminante, auch an der Zellschicksalsspezifikation humaner hämatopoetischer Stamm- und Vorläuferzellen (HSVZ) beteiligt ist.
Da der Notch-Signalweg ein wichtiger Faktor beim Selbsterhalt von HSZ in Säugern ist, war das primäre Ziel dieser Arbeit, die Funktion von Numb in humanen HSVZ (CD34+ Zellen) näher zu untersuchen und die Frage zu klären, ob Numb in der humanen Hämatopoese, ebenso wie in Drosophila, als Notch-Antagonist fungiert. In Übereinstimmung mit Vordaten aus unserer Gruppe konnte gezeigt werden, dass die Überexpression von Numb die Aufrechterhaltung primitiver Zellschicksale unterdrückt und die erythrozytäre Differenzierung induziert. Hingegen führte der funktionelle Knockdown von Numb und dem homologen Numblike zu höheren Anteilen primitiver hämatopoetischer Zellen. Weiterhin deutet sich an, dass Numb in humanen HSVZ nicht als Notch-Antagonist fungiert. Zudem wurde beobachtet, dass die Überexpression von Numb zu einer Herunterregulierung von CD133 führt, einem Oberflächenmarker, der auf dem Großteil humaner CD34+ Zellen ko-exprimiert wird.
Um ein besseres Verständnis der erhaltenen Daten zu ermöglichen, entschlossen wir uns zur Analyse der Entwicklungspotenziale der Fraktionen CD34+CD133+ (CD133+) und CD34+CD133low (CD133low) in verschiedenen in vitro und in vivo Assays. Unerwarteterweise waren alle getesteten Linienpotenziale immer einer Fraktion zuzuordnen: HSVZ mit myeloischem und lymphatischem Langzeitpotenzial, CFU-GM Potenzial und SCID-repopulierende Zellen wurden nur in der CD133+ Fraktion detektiert. Hingegen fanden sich erythrozytäre, megakaryozytäre und CFU-MIX Potenziale in der CD133low Fraktion. Da Kolonien beider Fraktionen Granulozyten enthielten, wurde im Weiteren die Komposition Granulozyten-enthaltender Kolonien u. a. durchflusszytometrisch und mittels RT-PCR umfassend analysiert. Es zeigte sich, dass Neutrophile exklusiv von CD133+ Zellen gebildet wurden, während CD133low Zellen Basophile und Eosinophile hervorbringen.
Zusammenfassend deutet das im Gegensatz zum klassischen Modell, das die strikte Trennung erythro-myeloischer von lymphatischen Zellen voraussagt, auf ein neues humanes hämatopoetisches Modell hin. Demnach erfolgt die erste Linienauftrennung zwischen erythro-myeloischen (CD133low) und lymphatisch-myeloischen (CD133+) Linienpotenzialen. Somit enstehen die verschiedenen Granulozyten-Subtypen in getrennten Linien. Eosinophile und Basophile werden von erythro-myeloischen Progenitoren (EMP), Neutrophile von Zellen mit LMPP-Potenzial (lymphoid-primed multipotent progenitors) gebildet.
In einem Teilprojekt wurden zur funktionellen Analyse von Numb in der Maus-Hämatopoese Numb/Numblike Knockout Mäuse generiert. Die Mäuse waren lebensfähig, und ihre Hämatopoese war nur marginal beinflusst, was nahelegt, dass Numb im hämatopoetischen System der Maus keine wichtige Rolle spielt.Hematopoietic stem cells (HSCs) are required to sustain the daily production of billions of specialized blood cells fulfilling different functions. Even though they represent the best-studied somatic stem cell entity so far, there are many unresolved questions regarding the mechanisms that control their development including their differentiation. Preliminary studies in our group suggested that Numb, a cell fate determinant known from Drosophila as antagonist of the Notch signaling pathway, is involved in cell fate specification processes in human hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs), too.
Since the Notch signaling pathway was shown to be essentially involved in mammalian HSC maintenance, the initial aim of this thesis was to further investigate the role of Numb and to clarify its potential involvement in regulation of the Notch signaling pathway in human HSPCs, i.e. CD34+ cells. In accordance with previous results from our group, it could be demonstrated that over-expression of Numb suppresses primitive hematopoietic cell fates and induces erythroid differentiation, while the functional knockdown of Numb and its homolog Numblike increased the content of primitive hematopoietic cells. Additional experimental data indicated that Numb function in human HSPCs is independent of Notch signaling. We further observed that over-expression of Numb resulted in downregulation of CD133, a surface marker expressed on the majority of human CD34+ cells.
To facilitate profound interpretation of results in this context, we decided to compare the developmental capacities of the subpopulations CD34+CD133+ (CD133+) and CD34+CD133low (CD133low) in different functional assays in vitro and in vivo. Unexpectedly, almost all lineage potentials tested turned out to be limited to one of the two subpopulations: HSPCs with long-term myeloid, long-term lymphoid and granulocyte-macrophage colony-forming (CFU-GM) potentials as well as NOD/SCID-repopulating cells exclusively were detected in the CD133+ fraction. In contrast, most cells with erythroid, megakaryocytic and CFU-MIX potentials were found in the CD133low fraction. Since granulocytes were formed within colonies from both populations, we comprehensively compared the composition of granulocyte-containing colonies by different methods including flow-cytometry and RT-PCR. We identified neutrophils to derive exclusively from CD133+ cells, while CD133low cells mainly gave rise to basophils and eosinophils.
Taken together, in contrast to the classical model that postulates the first lineage separation to occur between erythro-myeloid and lymphoid cell fates, our data suggest a revised model of human hematopoiesis. Accordingly, the first lineage branch point is marked by segregation of eythro-myeloid (CD133low) from lympho-myeloid (CD133+) potentials. Furthermore, the different granulocyte subtypes arise in distinct lineages, with eosinophils and basophils developing from erythro-myeloid progenitors (EMPs), while neutrophils develop from lymphoid-primed multipotent progenitors (LMPPs).
In another sub-project of the thesis, we generated Numb/Numblike knock-out mice to study the role of Numb in mouse hematopoiesis. The mice were viable and we detected only mild effects, indicating that Numb doesn’t seem to be essentially involved in cell fate specifictation processes in mouse HSPCs
Mikrobiologische Bestandsaufnahme und Laborexperimente zur Hemmung der mikrobiellen Pyrit-Oxidation
No full textIn der Lausitz und in Mitteldeutschland wird seit Anfang des 20. Jahrhunderts Braunkohle abgebaut. Durch diesen Abbau entstanden aus den geschlossenen Tagebauen Restseen, die durch einen sauren pH- Wert und eine hohe Sulfatlast charakterisiert sind. Diese Versauerung wird „Acid Mine Drainage“ (AMD) genannt. Ziel der Arbeit war der Nachweis von azidophilen Laugungsmikroorganismen im Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlerevier. Es sollte ein Zusammenhang zwischen diesen Mikroorganismen und dem AMD gezeigt, eine Hemmung des AMD im Labor erzielt und der Wirkmechanismus auf die Mikroorganismen erklärt werden.
Aus 66 Bodenproben, die 2006 und 2008 aus drei Lausitzer und zwei mitteldeutschen Braunkohletagebauen gewonnen wurden, konnten Eisen- und Schwefel- oxidierende Mikroorganismen durch Kultivierung bei 28 bis 70°C isoliert werden. Aus 168 Reinkulturen wurden 12 verschiedene Spezies, wie z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, L. ferriphilum, Ferrimicrobium acidiphilum, Acidiphilium acidophilum und Sulfobacillus thermosulfidooxidans, nachgewiesen. Nach Extraktion der Nukleinsäuren direkt aus den Proben und Aufreinigung von PCR- inhibierenden Substanzen wurden diese Ergebnisse durch spezifische Amplifikate der 16S rRNA Gene für A. ferrooxidans, A. thiooxidans und Leptospirillum spp. unterstützt. Weiterhin konnte der Nachweis der mikrobiellen Stoffwechselaktivität durch Mikrokalorimetrie erbracht werden. Durch Untersuchung von 42 Bohrkernproben nach und 24 Bohrkernproben vor der Absenkung des Grundwassers, genommen 2008 und 2009, konnte die Theorie aufgestellt werden, dass die biologische Pyritoxidation mit Absenkung des Grundwassers, d.h. dem Einströmen von Luftsauerstoff, beginnt.
Für die Hemmung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen wurden Säulenexperimente im 20 mL und 20 L Maßstab, sowie in Temperaturbereichen von 12 bis 25°C und mit verschiedenen Tensid- Regimen durchgeführt. Das Bioleaching konnte durch Zugabe von Regenwasser gestartet werden. Durch SDS- oder Texapon N70- Zugaben konnte in 20 mL Säulen für bis zu 38 Wochen eine pH Anhebung und Abtötung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen gemessen werden. Dabei wurde eine Verringerung der Sulfat- Freisetzung um bis minus 70% gemessen. In Säulen im 20 L Maßstab, betrieben bei konstant 12°C oder 15 bis 21°C, wurde die biologische Laugung gestartet und anschließend für bis zu 45 Wochen gehemmt, messbar durch eine pH- Wert Anhebung, das Vorkommen von vorzugsweise Eisen (II) im Durchlauf der Säulen und die Abtötung der Eisen- und Schwefel- oxidierenden Mikroorganismen. Die Sulfat- Auswaschung wurde um 29 bis 44% verringert.
In Untersuchungen mit konzentrierten Suspensionen von A. ferrooxidans, A. thiooxidans und Ac. cryptum im Vergleich zu Escherichia coli und Bacillus subtilis konnte eine induzierte Lyse der Laugungsbakterien durch Behandlung mit SDS und Texapon N70 nachgewiesen werden. Für A. thiooxidans wurde eine Verringerung der Zellzahlen um bis zu 75% durch SDS Behandlung gezählt. Für die drei Laugungsbakterien wurde durch Behandlung mit den Tensiden SDS und Texapon N70 eine Verringerung der OD600 um bis zu 80% gemessen, wogegen für E. coli und B. subtilis nur eine Verringerung um 10 bis 20% gefunden wurde. Für alle Bakterien wurde eine Freisetzung von DNA und RNA gefunden, eine Freisetzung von 50 bis 80% der Gesamtproteine wurde für die Laugungsbakterien gemessen, für E. coli dagegen nur 0,35%. Diese Ergebnisse sprechen für eine induzierte Lyse als Wirkmechanismus und erklären den Erfolg der Hemmung des Bioleaching in den Säulenversuchen.Since the beginning of the 20th century in Lusatia and in Central Germany the mining of lignite was performed. Therefore mining lakes exist and are characterised by a low pH value and increased sulphate concentrations. This process is harmful to the environment and called acid mine drainage (AMD). Aim of this study was the detection of acidophilic microorganisms in the mining areas in Lusatia and in central Germany. Furthermore, the connection between these leaching microorganisms and the AMD, the inhibition of AMD in the laboratory scale, and the mechanism of action of the surfactants to the microorganisms were examined.
From 66 sand samples, taken in 2006 and 2008, from three lignite mining areas in Lusatia and from two mining areas in central Germany iron- and sulphur- oxidizing microorganisms were detected by cultivation based technique at temperatures from 28 to 70°C. From 168 isolated pure cultures, the microorganisms were identified by sequencing of the 16S rRNA genes as 12 different species e.g. Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, L. ferriphilum, Ferrimicrobium acidiphilum, Acidiphilium acidophilum and Sulfobacillus thermosulfidooxidans. By the amplification of the 16S rRNA genes after extraction of the nucleic acids direct from the sand and purification from PCR inhibiting substances the species A. ferrooxidans, A. thiooxidans and Leptospirillum spp. were detected and supported the results derived from the classical method. Furthermore, microcalorimetric determination of the metabolic activity supported the results shown above. After examination of 42 drilling core samples after lowering the groundwater and 24 samples of drilling cores before lowering the ground water, taken in 2008 and 2009, the hypothesis was proposed that the biological pyrite oxidation starts by lowering the ground water and influx of air.
For the development of a strategy for the inhibition of leaching microorganisms, experiments were performed in columns in 20 mL and 20 L scale, filled with aquifer material, in the temperature range from 12 to 25°C and different surfactant regimes. The leaching was started by the addition of rainwater to the columns. By addition of SDS or Texapon N 70 an inhibition of the bioleaching was achieved in the 20 mL columns for up to 38 weeks. This was measured by an increased pH, missing detection of iron- and sulphur- oxidizing microorganisms in sand or solution. At all temperatures a reduction of the sulphate concentration was found, with a maximum of minus 70%. In 20 L columns, operated at constant 12°C or from 15 to 21°C, the bioleaching was successfully initiated and afterwards inhibited by surfactant treatment for up to 45 weeks. The surfactant addition achieved an inhibition of iron- and sulphur- oxidizing microorganisms, hence the occurrence of iron in the reduced form and an increasing pH of the leaching solution. Furthermore, the total sulphate release was decreased between 29 and 44% in comparison to the rainwater washed control, respectively.
By examinations of concentrated suspensions of A. ferrooxidans, A. thiooxidans and Ac. cryptum in comparison to E. coli and B. subtilis an induced lysis of the leaching bacteria by SDS and Texapon N70 treatment was observed. By SDS treatment a decrease in the cell count down to minus 75% for A. thiooxidans was found. Surfactant treatment of the three leaching bacteria caused a decrease in the optical density at 600nm by 80%, whereas only a slight decrease between 10 and 20% was measured for E. coli and B. subtilis, respectively. For all bacteria a release of DNA and RNA was found. Furthermore, a release of 50 to 80% of total protein content was measured for the leaching bacteria after the SDS treatment, whereas for E. coli only 0.35% was detected. These results indicate an induced lyis mechanism and explain the successful inhibition of the bioleaching in the columns by SDS and Texapon N70 addition
Protein-selective adsorbers by molecular imprinting via a novel two-step surface grafting method
No full textMolecularly imprinted polymers (MIP) offer in principle a robust, cost-efficient alternative to antibodies, but it is still a challenge to develop such materials for protein recognition. Here we report the molecular imprinting of a functional polymeric hydrogel layer with whole protein lysozyme as template in two-step grafting procedure by a novel initiation approach on track-etched (TE) polyethylene terephthalate (PET) and cellulose membrane surfaces.
This two-step grafting strategy is based on surface functionalization with aliphatic C-Br groups which can be used as initiator for surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) and photo-initiated copolymerization. At first, the scaffold poly(methacrylic acid) (PMAA) was obtained through SI-ATRP of poly(tert.-butyl methacrylate) (PtBMA) and subsequent hydrolysis. Thereafter, it was assembled with the template to form a stable PMAA/protein complex. In the second step, a polyacrylamide (PAAm) hydrogel was synthesized via surface UV-initiated grafting/crosslinking copolymerization around the scaffold/protein complex. Finally, the template was eluted to yield the grafted hydrogel layer with binding sites having complementary size, shape and appropriate arrangement of the functional groups to rebind the target protein. The selectivity of lysozyme recognition, relative to cytochrome C with similar size and isoelectric point, was increased by optimizations of scaffold chain length, UV grafting/crosslinking time and chemical crosslinking degree of the PAAm-based hydrogel on TE PET membrane. The feasibility for the development of protein MIP in a straightforward way by independent optimization of crucial parameters (structures of scaffold with functional groups and of crosslinked hydrogel matrix) has been demonstrated.
The novel strategy of two-step grafting was further tested to develop immunoglobulin G imprinting on PET membrane. Immunoglobulin G has much bigger size than that of lysozyme. Through optimizations of scaffold and crosslinking degree, a satisfactory property of immunoglobulin G imprinted membrane was obtained and evaluated via comparison of binding properties for immunoglobulin G and human serum albumin. Mixture of immunoglobulin G and human serum albumin is an important biological background for protein separation and production. Thereafter, cellulose membrane with much more specific surface area and higher porosity than PET membrane was chosen as the new substrate for lysozyme imprinting. The imprinted structure was successfully synthesized on cellulose membrane via improvement of the UV-irradiation intensity and monomer concentration by UV-grafting/crosslinking. The property of the lysozyme imprinted cellulose membrane was improved via the similar optimization what has done during imprinting lysozyme on PET membrane.
In order to improve the control of imprinted polymer structure, living polymerization method reversible addition fragmentation chain transfer polymerization (RAFT) was introduced to combine with ATRP instead of the conventional UV-irradiation of C-Br groups. ATRP initiator benzyl chloride and UV-RAFT initiator dithiocarbamate were immobilized on PET membrane surface and successfully characterized via their reactivity in surface-initiated ATRP and RAFT, respectively. The independency of the initiation of these two initiators was achieved on the surface covered with 50% benzyl chloride and 50% dithiocarbamate, this showed a good potential to be applied for the protein imprinting
Nachweis pathogener Keime in Lebergewebe und Galle bei Patienten während Lebertransplantation
No full textInfektionen haben einen großen Einfluß auf Morbidität und Letalität nach Lebertransplantation. Dennoch gibt es kaum Daten zu der Prävalenz, dem mikrobiologischen Spektrum und den Antibiotikaresistenzen von Keimbesiedlung in Galle und Lebergewebe bei leberkranken Patienten zum Zeitpunkt ihrer Transplantation.
Ziel der vorliegenden Studie war es dies für ein Kollektiv von 52 Patienten des Uniklinikum Essens zu ermitteln.
Dabei kamen kulturelle und molekulargenetische Nachweismethoden zum Einsatz.
Es konnten bei 35 % aller Patientin in Lebergewebe und/oder Galle Bakterien und/oder Pilzen nachgewiesen werden.
Bei 4 Patienten konnten Koagulase-negative Staphylokokken nachgewiesen werden, gefolgt von Escherichia coli, Enterococcus faecium/faecalis und Klebsiella spp. bei jeweils 3 Patienten. Weitere Nachweise waren unter anderem Candida spp., Pseudomonas spp., Enterobacter cloacae, Hafnia alvei, Stenotrophomonas maltophilia, Lactobacillus gasseri, Aeromonas hydrophila.
Bei allen nachgewiesenen Bakterien und Pilzen handelte es sich um fakultativ pathogene Keime, die vor allem bei immunsupprimierten Patienten schwere Infektionen auslösen können
Integration of Large Wind Farms into Weak Power Grids – Emphasis on the Ethiopian Interconnected System (ICS)
No full textDie Auswirkungen des erhöhten Windenergieanteils auf dem stationären und dynamischen Verhalten des äthiopischen Verbundnetzes ist der Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Integration der Windenergieanlagen in das bestehende Netz, das überwiegend von konventionellen Synchrongeneratoren versorgt wird, stellt vor einer Reihe von Herausforderungen in Bezug auf Systemsicherheit, Planung und Betriebsführung. Die wesentlichen Unterschiede herrühren von der Ungewissheit bezüglich der zu erwartenden Windgeschwindigkeit und der Reaktionszeit der Regeleinrichtungen nach einer Störung.
Zur Einbeziehung der Modelle der Windturbinen in das Gesamtsystemmodel, um den Einfluss des Windes auf Gesamtsystemverhalten zu untersuchen, wurde zunächst umfangreiche Literaturstudie im Hinblick auf Stand der Technik und gängige Regelkonzepte durchgeführt. Auf der Basis der gewonnen theoretischen Einsicht und Erkenntnisse wurden geeignete Modelle für das zu untersuchende Netz abgeleitet. Da die Modelle der installierten Anlagen entweder nicht verfügbar oder unvollständig waren, wurde eine alternative Modellierung auf der Basis generischer Modelle angewandt.
Das generische Modell umgeht die Notwendigkeit der technologie- oder herstellerspezifischen Informationen bezüglich Modellstruktur und Parameter und reduziert somit die Komplexität des dynamischen Modells und der Anzahl der erforderlichen Parameter. Bevor Verwendung wurden die generischen dynamischen Modelle ihre Fähigkeit, das dynamische Verhalten des Netzes originalgetreu wiederzugeben, durch Vergleich mit Simulationsergebnissen basierend auf dem vollständigen Modell verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die generische Modellierung eine geeignete Vorgehensweise ist, um den Einfluss der Windturbine oder ganzer Windparks in einfacher Art und Weise in dynamischer Systemstudie zu berücksichtigen.
Die nächste Aufgabe war die detaillierte Untersuchung des Einflusses von erhöhtem Windanteil auf das allgemeine Verhalten des äthiopischen Systems. Die Auswirkungen der Windkraftanlagen auf das System konnte anhand von umfangreicher Simulationsrechnungen analysiert und quantifiziert werden. Der Windeinfluss, wie zu erwarten war, ist in der Nähe des Windparks ausgeprägter. Aber die Polradwinkelschwingung nach einer Störung macht sich im gesamten System bemerkbar. Weiterhin sind als Folge der Entkopplung der rotierenden Masse der Windenergieanlagen vom Rest des Systems und der Reduktion des Gesamtträgheitsmoments wird die Generatorpolradschwingung stärker ausgeprägt. Es wird beobachtet, dass die kritische Fehlerklärungszeit langsam mit einer Zunahme der Windkraft sinkt, aber diese Änderung ist nicht bedeutsam.
In der nachfolgenden Stufe wurden Untersuchungen bezüglich des Kleinsignalverhaltens des Systems mit steigendem Windenergieanteil durch die Berechnung von Eigenwertspektrum des Systems durchgeführt. Die folgenden allgemeinen Schlussfolgerungen lassen sich aus der Analyse ableiten:
• Der Effekt der Verdrängung von konventionellen Generatoren durch Windkraftanlagen in Bezug auf die kleinen Signalverhalten und Dämpfungsverhalten der dominanten Modi kann als gering bezeichnet werden.
• Die gleiche Schlussfolgerung kann bezüglich Laständerung im stationären Zustand erreicht werden. Die Auswirkungen der Systemlast ohne Windkraft und mit maximaler Windenergie haben wenig Einfluss auf die Dämpfung des Systems.
• Auf der Grundlage dieser Untersuchungen kann gefolgert werden, dass die Integration von großen Windparks nicht das Kleinsignalverhalten des äthiopischen Systems in hohem Maße zu beeinflusst.
Schließlich wurde die Notwendigkeit der Einführung von Standard und Grid Code für Windenergieanlagen im äthiopischen System hervorgehoben. Basierend auf der detaillierten Untersuchung, die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt worden sind, und aus Erfahrungen anderer Länder, wurde eine neue äthiopische Windenergie-Grid Code vorgeschlagen.The impact of increased wind power on the steady state and dynamic behavior of the Ethiopian power system is the main focus of this thesis. The integration of wind power to the existing grid with conventional generators introduces new set of challenges regarding system security and operational planning, the main cause of the difference arising from the uncertainty of the primary source of energy and the response time following a disturbance.
For incorporating wind turbine models into the overall dynamic model of the system and investigating the effect of wind on the dynamic behavior of the wind first models of wind turbine components were put together by reviewing the current state of the art in wind turbine modeling and control concepts. The theoretical insight thus gained was applied to the Ethiopian power system as a case study. Since the models of the installed turbines were either not available or incomplete, an alternative modeling approach based on generic models was adopted.
The generic model, in addition to obviating the need for technology or manufacturer specific models, reduces the complexity the dynamic model. Using this procedure, generic dynamic models for wind farm in the system were developed. The capability of dynamic models to reproduce the dynamic response of the system has been verified by comparing simulation results obtained with a detailed and generic wind farm model. It could be shown that the generic wind turbine model is simple, but accurate enough to represent any wind turbine types or entire wind farms for power system stability analysis.
The next task was the study of the effect of increased wind power level on the general behavior of the Ethiopian system. It is observed that overall the impact of wind turbines on the operational indices of the system was –as could be expected- more pronounced in the vicinity of the wind farm. But the power angle oscillation following a disturbance was observed across the whole system. Further, as a result of the decoupling of the mechanical rotor of the wind turbine grid and the reduction of the overall system inertia as a result, the oscillation of generators becomes more pronounced as more and more conventional generators are replaced by wind turbines. It is observed that the critical fault clearing time slowly decrease with an increase in wind power level indicating insignificant degradation of system security in the system.
In the subsequent stage investigations were performed regarding the small signal (dynamic) stability of the system as the share of wind increases by computing the eigenvalue spectrum of the system. The following general conclusions can be deduced from the analysis:
• The effect of replacing conventional generators by wind turbines as regards the small signal behavior of the system as reflected by the damping behavior of the dominant Beles hydropower plant unit (BEL) can be characterized as minor.
• The same conclusion can be reached regarding load changes in steady state. The impact of system load levels with no wind power and with maximum wind generation on the damping performance of the system suggests that the damping performance of the system is not significantly affected either by the level of system load or the amount of wind generation.
• On the basis of these investigations, it can be concluded that the integration of large scale wind generation does not appear to affect the overall small signal stability of the Ethiopian power system.
Finally, with the increasing level of penetration of wind, the need for establishing a standard operating practice such as grid code for wind turbines becomes obvious. Based on the detailed study performed in this research and the experiences of other countries a new Ethiopian wind grid code has been propose
Funktionsanalyse multipler genereller Transkriptionsfaktoren in Sulfolobus acidocaldarius
No full textThe archaeal transcription machinery encompasses one multi-subunit RNA polymerase (RNAP), resembling the RNAPII of Eukaryotes, homologs of the TATA-binding protein (TBP), transcription factor TFIIB (TFB) and TFIIE-α (TFE) (Langer and Zillig, 1993, Marsh et al., 1994, Langer et al., 1995, Kyrpides and Ouzounis 1999, Bell and Jackson 1998a, b, Bell and Jackson, 2001, Hickey et al., 2002, Geiduscheck and Ouhammouch, 2005, Werner and Grohmann, 2011). The current mechanistic understanding of transcription initiation is that TBP binds to the TATA-box (~25 bp upstream of the transcription start site) whereupon TFB binds to the TBP-DNA complex forming sequence specific contacts with a purine-rich TFB-responsive element (BRE). Subsequently, the N-terminus of TFB recruits the RNAP to build the ternary pre-initiation complex. RNAP, TBP and TFB are solely sufficient for transcription of archaeal promoters in vitro (Bell and Jackson 1998a, b, Bell and Jackson, 2001, Hickey et al., 2002, Geiduscheck and Ouhammouch, 2005). Therefore archaeal transcription is generally regarded as a simpler model of the more complex eukaryal processes (Baliga et al. 2000).
Whereas multiple tfb and tbp homologs have been deeply investigated in the euryarchaeal branch, the role of multiple GTFs in Crenarchaeota remains poorly understood. It has been proposed that various tfb homologs might serve like σ-factors in Bacteria and fulfill specialized functions according to stress response (Micorescu et al., 2008, Peng et al., 2009, Paytubi and White, 2009). The aim of this study was to provide multiple GTF proteins required for experiments like EMSAs and in vitro transcription and to gain a deeper insight into their function in S. acidocaldarius by the generation of reporter gene constructs, protein-protein interaction studies and generation of knock-out mutants. The thermoacidophile S. acidocaldarius grows optimally at 80°C and pH 2-3 (Brock et al., 1972) and is an obligate aerobic organism; it grows heterotrophically and requires a limited range of polysaccharides or amino acids (e. g. dextrin, starch, tryptone and glutamate) for growth (Grogan et al., 1989). The major advantage working with S. acidocaldarius, compared to other Crenarchaeota like T. tenax, is that a genetic system is established (Wagner et al., 2009, Wagner et al., 2012, Sakofsky et al., 2011). An expression system is available and markerless knock-out mutants can be generated. The function of TFB1 and TFB3 has only been investigated in few studies in Crenarchaeota (Bell and Jackson, 2000a, Götz et al., 2007, Paytubi and White, 2009). A first hint for the function of TFB2 was given by microarray studies and a cell-cycle dependent role was proposed (Lundgren and Bernander, 2011). However, TFB2 from S. acidocaldarius has not been characterized on protein level so far. The role of GTFs was investigated by expression of the proteins, reporter gene assays, protein-protein interaction studies with the RNAP and GTFs and knock-out mutant analysis for determination of in vivo function.
Taken together this study provides an important basis (e.g. recombinant proteins, His-tagged RNAP, reporter gene constructs) for further experiments to unravel the function of GTFs in S. acidocaldarius and in Crenarchaeota. Furthermore an implication of TFB2 in transcription of RNA genes or RNA modification has been proposed and the function of TFB3 as co-activator was underlined.Der archaeale Transkriptionsapparat umfasst eine aus mehreren Untereinheiten aufgebaute RNA Polymerase (RNAP), die der RNAPII von Eukaryonten ähnelt, sowie Homologe des TATA-Bindeproteins (TBP) und der Transkriptionsfaktoren TFIIB (TFB) und TFIIE (TFE) (Langer und Zillig, 1993, Marsh et al., 1994, Langer et al., 1995, Kyrpides und Ouzounis 1999, Bell und Jackson 1998a, b, Bell and Jackson, 2001, Hickey et al., 2002, Geiduscheck und Ouhammouch, 2005, Werner und Grohmann, 2011). Das momentane mechanistische Verständnis der Transkriptionsinitiation besagt, dass TBP an die TATA-box bindet (~ 25 bp stromaufwärts des Transkriptionsstarts). Anschließend bindet TFB an den TBP-DNA Komplex und bildet dabei sequenzspezifische Kontakte mit dem purinreichen TFB-responsive element (BRE). Daraufhin bindet die RNAP an den N-terminus von TFB um den prä-Initiationskomplex zu bilden. In vitro Studien zeigten, dass die RNAP, TBP und TFB für die Transkription archaealer Promotoren ausreichen (Bell and Jackson 1998a, b, Bell und Jackson, 2001, Hickey et al., 2002, Geiduscheck and Ouhammouch, 2005). Deshalb wird Transkription als vereinfachtes Modell für komplexere Transkriptionsvorgänge in Eukaryonten betrachtet (Baliga et al. 2000).
Bei Euryarchaeota wurden multiple TFB und TBP Homologe bereits hinreichend untersucht wohingegen die Rolle multipler GTFS in Crenarchaeota weitestgehend unbekannt ist. Möglicherweise fungieren verschiedene TFB Homologe in ähnlicher Weise wie σ-Faktoren in Bakterien und führen eine spezialisierte Funktion als Stressantwort aus. (Micorescu et al., 2008, Peng et al., 2009, Paytubi and White, 2009). Ziel dieser Arbeit war es alle generellen Transkriptionsfaktoren von S. acidocaldarius, die für weitere Experimente wie EMSAs und in vitro Transkription benötigt werden zu exprimieren und zu reinigen, um schließlich die Funktion multipler Transkriptionsfaktoren mit Hilfe weiterer Experimente (Reportergenkonstrukte, Protein-Protein Interaktionsstudien, Knock-out Mutanten) aufzudecken. Der thermoacidophile Organismus S. acidocaldarius wächst optimal bei einer Temperatur von 80°C und einem pH von 2-3 (Brock et al., 1972) und ist obligat aerob. S. acidocaldarius wächst heterotroph und nur auf wenigen von Polysacchariden und Aminosäuren (Dextrin, Stärke, Trypton, Glutamat) (Grogan et al., 1989). Das bereits etablierte genetische System von S. acidocaldarius (Wagner et al., 2009, Wagner et al., 2012, Sakofsky et al., 2011), das ein Expressionssystem und die Generierung von Knock-out Mutanten umfasst, bietet einen großen Vorteil gegenüber der Forschung mit anderen Crenarchaeota wie T. tenax.
Die Funktion von TFB1 und TFB3 wurde bislang nur in wenigen Crenarchaeota untersucht (Bell and Jackson, 2000a, Götz et al., 2007, Paytubi and White, 2009). Ein erster Hinweis auf eine Zellzyklus-abhängige Funktion von TFB2 wurde durch Microarray Studien aufgedeckt (Lundgren and Bernander, 2011). Jedoch wurde TFB2 von S. acidocaldarius bisher nicht auf Proteinebene untersucht. Die Rolle von GTFs in S. acidocaldarius wurde durch Expression der Proteine, Reportergen assays, Protein-Protein Interaktionsstudien mit der RNAP und GTFs sowie durch knock-out Mutanten für die Untersuchung der in vivo Funktion untersucht.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Arbeit eine fundamentale Basis für weitere Experimente (z.B. rekombinante Proteine, His-Tag RNAP, Reportergen Konstrukte) bietet. Zudem wurde eine mögliche Rolle von TFB2 in Transkription von RNA Genen und RNA Modifikation dargelegt und die Funktion von TFB3 als Transkriptionsaktivator untermauert
Variation in mitochondrial genes in obesity
No full textNach Angaben der WHO, waren im Jahre 2008 mehr als 35 % aller Erwachsenen übergewichtig (BMI ≥ 25 kg/m^2) und 11 % adipös (BMI ≥ 30 kg/m^2). Obwohl in den letzten fünf bis zehn Jahren ein stabilisierender Trend in der Prävalenz zu verzeichnen war, stellt Adipositas wegen gesundheitlicher Konsequenzen im späteren Leben wie z.B. Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM) immer noch ein globales Gesundheitsproblem dar. Sowohl Umwelt- als auch genetische Faktoren sind für die globale Adipositasepidemie verantwortlich. In empirischen Studien wurde die Erblichkeit der Varianz des BMI auf 40 % bis 70 % geschätzt. Interessanterweise wurden größere Korrelationen zwischen mütterlichem und kindlichem BMI, als zwischen väterlichem und kindlichem gefunden.
Mitochondrien sind als Kraftwerke der Zelle bekannt und besitzen eine ausschließlich mütterlich vererbte zirkuläre DNA (mtDNA) von 16.569 bp. Diese kodiert 37 Gene; 13 dieser Gene stellen proteinkodierende Untereinheiten des oxidativen Phosphorylierungssystems (OXPHOS) dar. Auf der anderen Seite werden ~1.000 bis 1.500 kernkodierte Gene benötigt, um die mitochondriale Biogenese aufrechtzuerhalten. Änderungen der mitochondrialen Funktion wurden in ädipösen Individuen gefunden.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Variationen in der mtDNA sowie in kernkodierten mitochondrialen Genen in Assoziation mit Adipositas analysiert, aufgrund (1) der zentralen Rolle der Mitochondrien im Energiemetabolismus, (2) von Hinweisen auf eine veränderte mitochondriale Funktion bei Adipösen und (3) des elterlichen Effekts höherer mütterlicher-kindlicher BMI Korrelationen, zu diesem genetische Variationen der ausschließlich mütterlich vererbten mtDNA beitragen könnten.
Zur Analyse der Variation in der mtDNA wurde zunächst eine Assoziationsstudie von bis zu 40 chipbasierten mtDNA SNPs (welche bis auf einen in der kodierenden Region der mtDNA zu finden sind) in einem Fall-Kontroll-Kollektiv von 1.158 (extrem-) adipösen Kindern und Jugendlichen und 435 schlanken erwachsenen Kontrollen durchgeführt. Die SNPs wurden als einzelne SNPs und Haplogruppen, welche mittels HaploGrep bestimmt wurden, analysiert. Die Analysen wurden (a) in allen Individuen und (b) geschlechtsgetrennt durchgeführt. Zur unabhängigen Bestätigung wurden nominal assoziierte SNPs in Erwachsenen aus drei populationsbasierten Kohorten weiterverfolgt, wobei nur die insgesamt 1.697 adipösen Fälle den 2.373 normalgewichtigen Kontrollen gegenübergestellt wurden. Zur Identifizierung weiterer Varianten wurde die mitochondriale Kontrollregion (D-loop) von je 192 Fällen und Kontrollen re-sequenziert (Sanger). Ein zwei-seitiger exakter Fisher Test wurde als Assoziationstest verwendet. Fünf SNPs (m.4769A/G, m.8994G/A, m.11674C/T, m.12612A/G und m.13708G/A) und zwei Haplogruppen (W, J) waren initial nominal mit Adipositas (a) in allen Individuen (m.8994G/A, W) oder (b) geschlechtsgetrennt assoziiert. Jedoch konnte keiner dieser SNPs bzw. Haplogruppen im unabhängigen Kollektiv bestätigt werden. Durch Re-Sequenzierung wurden 252 Varianten gefunden. Die Frequenzen zweier Varianten unterschieden sich nominal zwischen Fällen und Kontrollen (m.16189T/C, m.16292C/T). m.16189T/C war häufiger in den Fällen (17 % vs. 9 %; p=0,048), wohingegen 16292T nur in acht Kontrollen zu finden war.
Zur Analyse der kernkodierten mitochondrialen Gene wurde eine „gene set enrichment analysis“ (GSEA) durchgeführt und drei Gensets, die im Vorfeld in Assoziation mit T2DM analysiert wurden, verwendet: (1) 16 kernkodierte Regulatoren der mitochondrialen Gene, (2) 91 OXPHOS Gene und (3) 966 kernkodierte mitochondriale Gene. Im Discovery-Schritt wurde eine GSEA in einem Fall-Kontroll-Kollektiv von 453 (extrem-) adipösen Kindern und Jugendlichen und 435 schlanken erwachsenen Kontrollen durchgeführt. Zur unabhängigen Bestätigung wurden 705 Adipositastrios sowie ein populationsbasiertes Erwachsenenkollektiv, welches als Fall-Kontroll-Kollektiv analysiert wurde (463 adipöse Fälle vs. 483 normalgewichtige Kontrollen, KORA-CC), verwendet. Zudem wurde eine Metaanalyse aus allen drei Kollektiven durchgeführt. Die Verteilung der Assoziationssignale (d.h. Gen-korrigierte p-Werte Pg) zwischen einem Gensets und dem Genset aller Gene wurden mittels leading-edge-fraction-comparison Test verglichen. Dafür wurden Cut-offs zwischen der 50. und 75. Perzentile des Sets aller Pg verwendet. Zudem wurden alternative Tests wie z.B. der Wilcoxon-Mann-Whitney-Test durchgeführt. Im Discovery-Schritt war Genset 1 signifikant für moderate bis schwache Assoziationssignale oberhalb der 50. Perzentile angereichert (pGSEA,50=0.0103). Diese Anreicherung wurde nicht in den Adipositastrios bestätigt, jedoch in KORA-CC. In der Metaanalyse wurde keine Anreicherung oberhalb der 50., jedoch oberhalb der 75. Perzentile gefunden.
Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass bei der Analyse der bis zu 40 Chipbasierten häufigen mtDNA SNPs weder ein einzelner SNP noch eine Haplogruppe robust mit Adipositas assoziiert war. Bezüglich der D-loop SNPs erscheint m.16189T/C vielversprechend, in einem unabhängigen Kollektiv weiterverfolgt zu werden, wohingegen m.16292C/T eher falsch positiv sein könnte, da fünf der acht Träger des T-Allels zur Haplogruppe W gehörten, deren Assoziation nicht unabhängig bestätigt werden konnte. Im Hinblick auf die kernkodierten mitochondrialen Gene konnten im Genset der 16 kernkodierten Regulatoren der mitochondrialen Gene durch eine GSEA eine Anreicherung moderater bis schwacher Assoziationssignale ermittelt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit liefern zwar nur einen kleinen Beitrag, tragen jedoch dazu bei, die Erblichkeit der Varianz des BMI auf molekulargentischer Ebene zu entschlüsseln.In 2008, more than 35 % of the world’s adult population were overweight (BMI ≥ 25 kg/m^2) and 11 % were obese (BMI ≥ 30 kg/m^2). Although in the last five to ten years a stabilizing trend in prevalence had been observed, obesity still is a major global health problem, because of health consequences in later life such as type 2 diabetes mellitus (T2DM). Both environmental and genetic factors were shown to contribute to the global obesity epidemic. In empirical studies, the heritability of the BMI variance was estimated to 40 % to 70 %. Interestingly, larger correlations in BMI between mothers and their offspring than between fathers and their offspring were found.
Mitochondria are well known as cellular power plants and contain an exclusively maternally inherited circular DNA (mtDNA) of 16,569 bp with 37 genes of which 13 are protein coding subunits of the oxidative phosphorylation system (OXPHOS). On the other hand, ~1,000 to 1,500 nuclear-encoded genes are required to maintain mitochondrial biogenesis. Alterations in mitochondrial function were found in obese individuals.
Both variation of mtDNA and nuclear-encoded mitochondrial genes have been analyzed in association with obesity within the present PhD thesis, because of (1) the central role of mitochondria in the energy metabolism, (2) hints of altered mitochondrial function in obese individuals, and (3) the parental effect of correlations in BMI to which genetic variation in the exclusively maternally inherited mtDNA might contribute.
For analysis of variation in mtDNA, first of all, an association study of up to 40 array-based SNPs of mtDNA (all but one of the SNPs located in mtDNA coding region) was performed in a case-control (CC) sample of 1,158 (extremely) obese cases and 435 lean adult controls (discovery). SNPs were analyzed as single SNPs and as haplogroups determined by HaploGrep. Analysis was done (a) in all individuals and (b) stratified by gender. For independent confirmation, nominally associated SNPs were followed-up among adults of three population-based samples analyzed as CC sample of 1,697 obese cases and 2,373 normal weight controls. In addition, the mtDNA control region (D-loop) of each 192 cases and controls was screened for variants by re-sequencing (Sanger). Fisher’s two-sided exact test was used for association testing. Five SNPs (m.4769A/G, m.8994G/A, m.11674C/T, m.12612A/G and m.13708G/A) and two haplogroups (W, J) were initially found to be nominally associated with obesity (a) in the whole sample (m.8994G/A, W) or (b) stratified by gender, but none of these SNPs or haplogroups could be confirmed in the independent sample. By re-sequencing, 252 variants were detected. Frequencies of two of these variants differed nominally between cases and controls (m.16189T/C, m.16292C/T). m.16189C was more frequent among the cases (17 % vs. 9 %; p=0.048), while 16292T was only found in eight controls.
For analysis of nuclear-encoded mitochondrial genes, a gene set enrichment analysis (GSEA) was performed using three gene sets previously investigated in association with T2DM: (1) 16 nuclear-encoded regulators of mitochondrial genes, (2) 91 OXPHOS genes, and (3) 966 nuclear-encoded human mitochondrial genes. For discovery, GSEA was performed in a CC sample of 453 (extremely) obese cases and 435 lean adult. Independent confirmation occurred in a family-based sample of 705 obesity trios and an adult population-based analyzed as a CC sample (463 obese cases and 483 normal weight controls, KORA-CC). A meta-analysis of all three samples was performed. The distribution of association signals (i.e. gene-wise corrected p-values Pg) between a gene set and the gene set of all genes was compared using a leading-edge-fraction-comparison test with cut-offs between the 50th and the 95th percentile in the set of all Pg and alternative tests (e.g. Wilcoxon-Mann-Whitney-test). In the discovery, gene set 1 was significantly enriched for modest to weak association signals above the 50th percentile (pGSEA,50=0.0103). This enrichment was not confirmed in the trios, but in KORA-CC. In the meta-analysis, enrichment was not detected above the 50th percentile, but above the 75th.
In conclusion, analysis of up to 40 array-based common mtDNA SNPs did not lead to robust association of either a single mtDNA SNP or a haplogroup. Pertaining to D-loop variants, m.16189T/C seems to be promising to be followed-up in a further sample for independent confirmation of the initial association. The results of variant m.16292C/T, by contrast, might be rather spurious as five of the eight controls carrying the variant allele T were of haplogroup W, association of which could not be independently confirmed. Regarding nuclear-encoded mitochondrial genes, GSEA revealed that modest to weak association signals for obesity might be enriched in the gene set of 16 nuclear-encoded regulators of mitochondrial genes. Although the impact is small, the results of the present thesis contribute to elucidate the heritability of the BMI variance on a molecular genetic level