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Synthesis and characterization of molecular bridged noble metal nanoparticles for surface enhanced raman spectroscopy
No full textDimere aus Edelmetall-Nanopartikeln stellen das einfachste System dar, bei dem eine plasmonische Kopplung zu beobachten ist. Bei resonanter Lichtanregung kommt es in der Schnittstelle zwischen den beiden Nanopartikeln zu extremen Verstärkungen des elektromagnetischen Feldes. Es ist möglich, dieses in der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie zu nutzen.
Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, gezielt molekular verbrückte, ideale Gold-Nanopartikel-Dimere mit homogenen Streueigenschaften herzustellen. Hierzu wurden 50 nm ideal sphärische Gold-Nanopartikel synthetisiert, welche durch eine Doppelschicht aus CTAB stabilisiert sind. Durch die Entwicklung einer neuen Methode ist es nun möglich, die stabile CTAB-Schicht mittels organischem Lösungsmittel (Ethanol und Acetonitril) und NaBr von der Nanopartikel-Oberfläche zu entfernen, um diese über eine schrittweise Substrat-basierte Assemblierungsmethode mit Alkyldithiole zu Dimeren zu koppeln. Nach diesem Verfahren konnten ideale Dimere mit einer Ausbeute von bis zu 89% hergestellt werden. Diese wurden mittels der Elektronenmikroskopie sowie Einzelpartikel-Streuspektroskopie charakterisiert und mit nicht-idealen Dimeren verglichen. Die Homogenität der idealen Dimere war über polarisationsaufgelöste Streuspektren nachweisbar. Dies ist für die Quantifizierbarkeit in SERS-Anwendungen nötig und ermöglicht den direkten Vergleich zu theoretischen Simulationen. Weitergehend konnte die Einzelpartikel-SERS-Sensitivität für Dimere, mit einer Monolage aus 1,8-Octandithiol und Thiophenol, durch polarisationsaufgelöste SERS-Messungen demonstriert werden.
Neben den Alkylthiolen wurden auch andere Brückenmoleküle, wie Aryldithiole und Dendrimere, untersucht. Beide Moleküle besitzen das Potential, nicht nur zwei AuNP miteinander zu einem Dimer zu verbinden, sondern können auch als Raman-aktives Molekül im hot spot nachgewiesen werden. Dies konnte für 1,4-Benzoldimethylthiol demonstriert werden.
Je nach Anwendung stehen unterschiedliche Moleküle zur Verbrückung von Edelmetall-Nanopartikeln bereit. Es zeigte sich, dass sich Alkyldithiole, aufgrund ihrer Eigenschaften, am besten zur Assemblierung eignen. In Kombination mit Raman-aktiven Arylthiolen ist die Anwendung in der SERS-Spektroskopie möglich.Dimers of noble metal nanoparticles are the simplest system in which plasmonic coupling is observed. By resonant light excitation extreme enhancements of the electromagnetic field occur in the gap between the two nanoparticles. This high enhancement can be exploited in surface-enhanced Raman spectroscopy.
Molecularly bridged ideal gold nanoparticle dimers with homogeneous scattering properties were produced. For this purpose 50 nm ideal spherical CTAB capped gold nanoparticles were synthesized. A new method has been developed for efficient removal of the CTAB bilayer from the NP surface by using a combination of an organic solvent (ethanol and acetonitril) and salt (NaBr), in order to couple them with alkyldithiols to dimers in an step-wise substrate-based assembly method. According to this method, ideal dimers are produced with a yield of up to 89 %. These dimers were characterized by electron microscopy as well as single particle scattering spectroscopy and compared with non-ideal shaped AuNP dimers. The homogeneity of the ideal dimers was demonstrated by polarization-resolved scattering measurements, which are necessary for the quantifiability in SERS applications and allows a comparison to theoretical simulations.
Further, the single particle SERS sensitivity of dimers with a monolayer of 1,8-octanedithiol and thiophenol were shown by polarization-resolved SERS measurements. In addition to the alkylthiols, other bridge molecules such as aryldithiols and dendrimers were also studied. Both molecules show the potential to be applied as a molecular bridge and also as a Raman-active molecule due to their high Raman cross section, which can be probed in the hot spot. This was demostrated for 1,4-benzenedimethanethiol.
Depending on the application different types of molecules are available for bridging nobel metal nanoparticles. It has been proven that alkyldithiols show the best result in efficient assembling of
ideal and non ideal AuNP to dimers. In combination with Raman-active arylthiols, the application is possible in SERS spectroscopy and microscopy
Numerische und experimentelle Untersuchung zur metrologischen Nutzung von kavitierenden Venturi-Düsen
No full textDie vorliegende Arbeit „Numerische und experimentelle Untersuchung zur metrologischen Nutzung von kavitierenden Venturi-Düsen“ entstand in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für die metrologische Anwendung von hydraulisch kavitierenden Düsen zu schaffen. Die Kavitation sorgt ab einem gewissen Punkt für eine Durchflussbegrenzung, ab der ein weiteres Absenken des Austrittsdruckes den Durchfluss nicht weiter erhöht. Dieses Phänomen ist aus der Durchflussmesstechnik von Gasen bei den sogenannten kritisch durchströmten Venturi-Düsen (CFVN) bekannt. Ähnlich den CFVN sollen kavitierende Düsen zur Generierung hochgradig genauer und konstanter Durchflüsse genutzt werden, was ihnen eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten bietet.
In dieser Arbeit wurden dafür erste experimentelle sowie numerische Untersuchungen im Hinblick auf die messtechnische Anwendung durchgeführt. Dafür wurden etliche Geometrieeinflüsse, wie die generelle Düsenform, Düsen- und Diffusorwinkel, Düsenhalslänge usw. numerisch untersucht und darauf basierend Vorschläge für eine optimierte Geometrie abgeleitet. Anhand der Experimente wurde ein neues Phänomen, die sog. sprunghafte Verlängerung der Schichtkavitation, beobachtet. Durch die Auswertung der experimentellen und numerischen Untersuchungen konnte dieses Phänomen beschrieben und erklärt werden. Durch die Experimente konnte weiterhin eine Möglichkeit zur Berechnung des Durchflusses im Bereich der Durchflussbegrenzung abgeleitet werden. Diese basiert im Prinzip auf einer reibungslosen Betrachtung, die durch einen Korrekturfaktor angepasst wird. Neu ist in diesem Zusammenhang aber die Bewertung des Korrekturfaktors an sich. Durch einen Vergleich mit den numerischen Untersuchungen konnte der Korrekturfaktor in seine jeweiligen Anteile zur Korrektur der Geschwindigkeit und der Dichte aufgespalten werden. Weiterhin liefern die Experimente, vor allem im Zusammenhang mit den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen etliche Nachweise für neuere Theorien hauptsächlich in Bezug auf die Schichtkavitation.The presented work „Numerical and experimental investigation on the metrological usage of cavitating Venturi-nozzles“ was carried out at the chair of fluid mechanics in cooperation with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). The purpose of the investigations is to develop the basic aspects of the metrological usage of hydraulically cavitating nozzles. Within the nozzle, due to the cavitation, the flow becomes choked, which means that a further decrease of the backpressure won’t increase the flow rate any longer. The same phenomenon is known in gas metering from the so-called critical flow Venturi-nozzles (CFVN). Similar to the CFVN, the cavitating nozzles could be used for the generation of highly stable and accurate flow rates, offering a wide range of applicability.
For this purpose, first experimental, as well as numerical investigations aiming at the metrological usage of the cavitating nozzles, were performed. The experiments have been carried out at the PTB, including high-speed camera observations with up to 140.000 fps. In addition to the experiments, numerical investigations using the commercial CFD-software Star-CCM+ were carried out. The numerical investigations cover for example the evaluation of geometry influences on the accuracy of the flow rate, such as the influence of the general nozzle geometry, nozzle, and diffuser angle. Based on the results, proposals for an optimized geometry have been derived.
Due to the experiments, a new phenomenon, named the sudden extension of the vapor cloud, was observed. With the analysis of the experiments and additional numerical simulations, this phenomenon could be described and even physically explained. Based on the evaluation of the experimental results, a solution for the calculation of the choked flow rate is presented. The calculation is primarily based on an inviscid approach and fitted by a correction factor. Furthermore, due to the combined experimental and numerical approach, a novel estimation of the specific fraction of an influence of the correction factor could be done. In that way, the correction factor could be split into the correction of the velocity and the density. In addition, the experiments and especially in combination with the high-speed recordings provided numerous evidence for newer theories mainly related to sheet cavitation
Prediction of preeclampsia with new biologicals markers at first trimester
No full textDie vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Rolle von neuen Serummarkern für die Vorhersage von Präeklampsie (PE) im ersten Schwangerschaftsdrittel. Ziel war es, vor Symptombeginn einen für die frühe und späte PE möglichst gleichermaßen bedeutungsvollen Prädiktionsmarker zu finden. Im Rahmen einer Fall-Kontroll-Studie untersuchten wir die Biomarker Procalcitonin, Midregionales Pro-Atriales natiuretisches Peptid und Copeptin im mütterlichen Serum
Indications, technique, and outcome of plasmapheresis in a large pediatric dialysis center
No full textZum klinischen Outcome der Plasmapherese (PP) im Kindeshalter existieren nur wenige Daten. In dieser retrospektiven Analyse wurden die Daten von 86 Kindern erhoben, bei denen kumulativ 652 PP-Therapien durchgeführt wurden. Bei den meisten Patienten erfolgte die Behandlung aufgrund eines Hämolytisch-Urämischen Syndroms (n=26; 30,2%), eines akuten Leberversagens (n=19; 22,0%) oder einer Abstoßung nach Nierentransplantation (n=8, 9,3%). Die milden Komplikationen konnten meistens während der Behandlung erfolgreich behandelt werden. Insgesamt konnte bei 52 Patienten (60,4%) eine komplette Remission der zugrundeliegenden Erkrankung erzielt werden, 14 Patienten zeigten nur ein partielles Ansprechen (16,3%) und bei 20 Patienten (23,3%) konnte kein Behandlungserfolg erzielt werden. Aus dieser Gruppe verstarben 12 Patienten (15,1%) innerhalb der ersten 30 Tage. Technisch ist die PP bei Kindern und Jugendlichen ein sicheres Verfahren. Die besten Behandlungserfolge ließen sich bei Patienten mit HUS, neurologischen Manifestationen von Autoimmunerkrankungen und anderen primären Nierenerkrankungen erzielen. Schlechte Behandlungserfolge zeigten sich hingegen bei Kindern mit akutem Leberversagen, wo die Behandlung zur Überbrückung bis zur Lebertransplantation eingesetzt wurde.There are only few reports on clinical outcomes in children undergoing plasmapheresis (PP) therapy. Our retrospective analysis involved 86 children undergoing 652 PP sessions. Most patients (n=26; 30.2%) were treated for hemolytic-uremic syndrome (HUS), 22,0% (n=19) for liver failure and 9,3% (n=8) for rejection following renal transplantation. Few mild complications during PP could be resolved immediately. Overall, PP achieved full disease remission in 52 patients (60.4%), 14 patients showed a partial response (16.3%) and 20 patients (23.3%) did not respond at all. Among these, 12 patients (15.1%) died within the following 30 days. Plasmapheresis is a safe method in children with high efficacy in patients with hemolytic uremic syndrome, neurological autoimmune diseases and other primary renal diseases. Patients with liver failure who receive PP as bridging therapy show only a poor outcome
Photoinduzierte Degradation pharmazeutisch relevanter Substanzen in Wässern - Kinetische, strukturchemische und ökotoxikologische Untersuchungen von Wirkstoffen und deren Abbauprodukten unter Anwendung von Advanced Oxidation Processes
No full textIn dieser Arbeit wurden 16 Antibiotika aus vier Antibiotikaklassen mittels photoinduziertem Abbau unter Verwendung von AOPs untersucht, um die Effektivität einer potentiellen vierten Reinigungsstufe in Klärwerken abzuschätzen. Dazu wurde eine umfangreiche Literaturstudie durchgeführt, die die Anwesenheit und die Problematik der Antibiotikaklassen darstellen und die Auswahl der Antibiotika bestätigt. Die Analysen wurden mittels HPLC-ESI-IT-MS und HPLC-ESI-Q-TOF-MS durchgeführt. Im Fokus stand hier die UVC-Bestrahlung, deren Effektivität noch durch Zugabe von H2O2 gesteigert werden konnte. Die Anwendung von UVA-Strahlung führte zu einem deutlich langsameren Abbau im Vergleich zu UVC-Bestrahlung. Auch die Zugabe von TiO2 zeigte keinen generellen positiven Effekt auf den Abbau, außer bei Verwendung der TiO2-Modifikation P25. In den meisten Fällen jedoch, zum Beispiel bei Azithromycin und Tetracyclin, wurde um einen Faktor von zwei langsamere Geschwindigkeitskonstante beobachtet.
Der photoinduzierte Abbau der Antibiotika führte zu Photodegradanten, die mittels MS/MS strukturell aufgeklärt wurden. Unter den Produkten konnten auch bisher unbekannte Produkte identifiziert werden. Im Falle der Fluorchinolone konnten insgesamt 18 unbekannte Photodegradanten identifiziert werden, bei den Makroliden insgesamt 8. Bei den Sulfonamiden konnten bei Sulfamethazin und Sulfadiazin neue Hydroxyladdukte an beiden Ringsystemen nachgewiesen werden. Sulfamethoxazol und Sulfathiazol zeigten keine unbekannten Photodegradanten. Bei Tetracyclinen entstanden keine Photodegradanten. Die Photodegradanten wurden durch Modellierung ihrer Konzentrationszeit Kurven kinetisch untersucht. Hierbei zeigte sich, dass der Abbau der Wirkstoffe selbst nach einer Reaktionskinetik erster Ordnung beschrieben werden kann. Die entstandenen intermediären Produkte konnten als Zwischenprodukte einer Folge- bzw. Folge-Folge-Reaktion beschrieben werden. Durch diese Modellierung konnte nun erstmals auch das Verhalten der Abbauprodukte charakterisiert werden. Die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten und der zugehörigen Halbwertszeiten ließ Rückschlüsse auf dem Verbleib in Gewässer schließen. Dies ist besonders für Kläranlagen wichtig, da nicht nur eine Umweltgefahr vom Wirkstoff ausgehen könnte, sondern auch von den entstandenen Zwischenprodukten.
Um einzuschätzen, wie gefährlich die Photodegradationsprodukte für die Umwelt sind, wurden nach Bestimmung der MHK-Werte der Wirkstoffe gegen Ps. fluorescens und B. subtilis auch MHK-Bestimmungen in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit vorgenommen. Diese wurden miteinander verglichen und prediktive QSAR-Analysen an verschiedenen Organismen durchgeführt. Hier zeigte sich, dass die Wirksamkeit der meisten entstandenen Produkte als geringer als die der Ausgangssubstanzen vorhergesagt wurde. Entsprechende gegenteilige Aussagen in der wissenschaftlichen Literatur konnten hier nicht bestätigt werden. Somit könnte in dieser Hinsicht der photoinduzierte Abbau zur Eliminierung von Pharmazeutika in Kläranlagen eingesetzt werden. Die Photoprodukte der hier untersuchten Wirkstoffe schienen kein umweltgefährdendes Potential zu besitzen.
Für die Abschätzung der Abbaugeschwindigkeiten in MilliQ-Wasser im Vergleich zu Kläranlagenwasser, wurden Proben aus einer Kläranlage genommen und mit verschiedenen Antibiotika versetzt. Im Kläranlagenablauf wurden aufgrund von Matrixeffekten deutlich niedrigere Degradationsgeschwindigkeiten ermittelt. Es empfiehlt sich, die Proben länger zu bestrahlen als aus den hier ermittelten Geschwindigkeitskonstanten in reinem MilliQ-Wasser abgeleitet werden könnte.
In Proben aus einem Oberflächengewässer konnten verschiedene Pharmazeutika detektiert werden, wie Metoprolol, Sulfamethoxazol und Carbamazepin. Um die für Kläranlagen effektivsten experimentellen Bedingungen herauszufinden wurden Bestrahlungsversuche mit UVA- und UVC-Licht durchgeführt. Hier zeigte sich die effektivste Eliminierung der Pharmazeutika unter UVC-Bestrahlung und H2O2-Zugabe.
Für eine vierte Reinigungsstufe zur Eliminierung von Pharmazeutika, insbesondere Antibiotika, aus Gewässern empfiehlt sich die Anwendung von UVC-Bestrahlung in Kombination mit H2O2-Zugabe. Wichtig hierbei sind eine ausreichende Bestrahlungszeit, eine ausreichende Durchdringung der Lösung durch die Strahlung und ausreichende Intensität, damit alle Wirkstoffe und ihre Photodegradanten vollständig aus dem Wasser eliminiert werden können und somit nach Einleitung des Klärwassers keine Gefahren für die Umwelt bestehen. In this study, sixteen antibiotics from four antibiotic classes were analyzed using photoinduced degradation and advanced oxidation processes (AOPs) to assess the effectiveness of a potential fourth purification stage in sewage treatment plants. To this purpose, a comprehensive literature survey demonstrated the presence and the environmental hazards of the antibiotic compounds and supported the selection of the antibiotics. The isolation and characterization of the model compounds and their degradation products were carried out using HPLC-ESI-IT-MS and HPLC-ESI-Q-TOF-MS. The focus laid on UVC irradiation, the effectiveness of which could be increased through addition of H2O2. The use of UVA radiation led to a much slower degradation as compared to UVC irradiation. The addition of TiO2 did not show a general accelerating effect on the degradation, except when using the TiO2 modification P25. However, in most cases, e.g. azithromycin and tetracycline, reaction rates slower by a factor of two were observed.
The photoinduced degradation of the antibiotics led to photodegradates that were structurally elucidated by MS / MS. Among the products, previously unknown products were identified. In the case of fluoroquinolones, a total of 18 unknown photodegradates was identified. With respect to the macrolides, eight novel degradates were detected and characterized. Novel hydroxyl adducts were identified on irradiation of sulfamethazine and sulfadiazine, the hydroxyl group located on both ring systems. No previously unknown photodegradates were found for sulfamethoxazole and sulfathiazole. No photodegradates at all were seen with tetracyclines. All photodegradates were kinetically investigated using computational modeling of the observed concentration-time profiles. It was shown that the degradation could be described by a first-order reaction kinetic model. The resulting photodegradates could be described as intermediate products of a follow-up or consecutive follow-up reaction. Using this approach, the behavior of degradation products has been characterized for the first time. The determination of the rate constants and the associated half-lives allowed conclusions to be drawn for water treatment. This is particularly important for sewage treatment plants, since environmental hazards could not only arise from the active substance but also from the intermediate products.
In order to estimate the ecotoxicity of the photodegradation products, MICs were determined as a function of irradiation time and compared to the MIC values of the active substances against Ps. fluorescens and B. subtilis. In addition, predictive QSAR analyzes were carried out on different organisms. Here, it became clear that the efficacy of most of the resulting products was lower than that of the initial substances. Controversial statements in the scientific literature could not be confirmed here. Thus photoinduced degradation could be used in this regard for the elimination of pharmaceuticals in sewage treatment plants. The photoproducts of the investigated active substances did not appear to possess environmentally damaging potential.
For the estimation of degradation rates in MilliQ water compared to sewage water, samples were taken from a sewage treatment plant and various antibiotics were added. In the waste water plant effluent significantly lower degradation rates were determined due to matrix effects. It is hence advisable to irradiate samples longer than the rate constants determined in pure MilliQ water might suggest.
In samples from surface water, pharmaceuticals such as metoprolol, sulfamethoxazole and carbamazepine were detected. In order to predict the most effective experimental conditions for sewage treatment plants, irradiation experiments with UVA and UVC light were carried out. This indicated UVC irradiation and H2O2 addition to be the most effective elimination of the pharmaceuticals.
As a fourth purification step for the elimination of pharmaceuticals from water bodies, especially antibiotics, the use of UVC irradiation in combination with addition of H2O2 is thus recommended. To apply a sufficient irradiation time is very important, further a sufficient penetration of the solution by the radiation and sufficient intensity so that all active substances and their photodegradates can be completely eliminated from the water. As a consequence, no environmental hazard would persist after the discharge of the sewage water using the suitable AOP conditions
Tumor necrosis factor-inducible gene 6 protein: Eine neue neuroprotektive Substanz gegen inflammatorische Schädigungen während der Hirnentwicklung
No full textIntroduction: Inflammation is an important factor contributing to developmental brain injury in preterm infants. Although tumor necrosis factor-inducible gene 6 protein (TSG-6) has immunomodulatory effects in several inflammatory conditions in adult animals, the role of TSG-6 in the developing brain, its impact on perinatal inflammation and its therapeutic potential is currently unknown. The aim of the current work was 1) to characterise the developmental expression of TSG-6 in the newborn rat brain, 2) to evaluate the impact of lipopolysaccharide (LPS) exposure on TSG-6 expression and 3) to assess the therapeutic potential of exogenous TSG-6 administration.
Methods: Brain hemispheres of healthy Wistar rats (postnatal day 1-postnatal day 15 (P1-P15)) were evaluated with regard to the physiological expression of TSG-6. LPS-treated rats (0.25 mg/kg LPS intraperitoneally (i.p.) on P3) were analysed for inflammation-induced changes in TSG-6 and cytokine expression. To evaluate whether exogenous recombinant human (rh)TSG-6 affects inflammation-induced brain injury, Wistar rats exposed to LPS on P3 were treated with rhTSG-6 i.p. (4 repetitive doses of 2.25 mg/kg every 12 h, first dose 3 h before LPS injection).
Results: TSG-6 is physiologically expressed in the developing brain with a linear increase in expression from P1 to P15 at the messenger ribonucleic acid (mRNA) level. At P6, regional differences in TSG-6 expression in the cortex, thalamus and striatum were detected at mRNA and protein level. Furthermore, TSG-6 gene expression was significantly increased by inflammation (induced by LPS treatment). Combined treatment with LPS and TSG-6 vs. LPS exposure alone resulted in significant down-regulation of cleaved caspase-3, a marker of apoptosis and neuronal plasticity. In addition, several inflammatory serum markers were decreased after TSG-6 treatment.
Conclusion: TSG-6 is physiologically expressed in the developing brain. Changes of TSG-6 expression associated with inflammation suggest a role of TSG-6 in neuroinflammation. Reduction of cleaved caspase-3 by TSG-6 treatment demonstrates the putative neuroprotective potential of exogenous TSG-6 administration in inflammation-induced developmental brain injury.Einleitung: Inflammation spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Hirnschädigungen bei Frühgeborenen. Obwohl Tumor necrosis factor-inducible gene 6 protein (TSG-6) immun-modulatorische Eigenschaften unter unterschiedlichen inflammatorischen Bedingungen in erwachsenen Tieren zeigte, sind eine Rolle von TSG-6 im sich entwickelnden Gehirn, ein Einfluss während einer perinatalen Inflammation und ein therapeutisches Potential noch unerforscht. Das Ziel dieser Arbeit war 1) die entwicklungsabhängige Expression von TSG-6 im Rattenhirn zu charakterisieren 2) den Einfluss von Lipopolysaccharide (LPS) auf die TSG-6 Expression zu evaluieren 3) das therapeutische Potential einer externen TSG-6 Gabe zu beurteilen.
Methoden: Hirnhälften von gesunden Wistar Ratten (postnatal Tag 1-postnatal Tag 15 (P1-P15)) wurden hinsichtlich der physiologischen Expression von TSG-6 untersucht. Die Expression von Cytokinen und TSG-6 unter inflammatorischen Bedingungen wurde bei LPS-behandelten Ratten untersucht (0,25 mg/kg LPS intraperitoneal (i.p.) an P3). Um zu evaluieren, ob rekombinantes, humanes (rh)TSG-6 einen Einfluss auf inflammatorische Schädigungen während der Hirnentwicklung hat, wurden Wistar Ratten mit LPS an P3 und zusätzlichem rhTSG-6 i.p. behandelt (4 repetitive Dosen von 2,25 mg/kg alle 12 h, erste Dosis 3 h bevor LPS Behandlung).
Resultate: TSG-6 messenger Ribonukleinsäure (mRNA) wird physiologisch im sich entwickelnden Gehirn exprimiert mit linearem Anstieg von P1 zu P15. An P6 wurden regionale Unterschiede in der TSG-6 Expression zwischen Cortex, Thalamus und Striatum auf Gen- und Proteinebene nachgewiesen. Zudem wird die TSG-6 Gen-expression durch LPS-induzierte Inflammation signifikant erhöht. Zusätzliche Therapie mit TSG-6 im Vergleich zu alleiniger Gabe von LPS zeigte eine signifikante Verringerung der cleaved caspase-3 Menge, einem Marker für Apoptose und neuronaler Plastizität. Außerdem zeigte sich eine verringerte Expression einiger inflammatorischer Moleküle im Serum nach TSG-6 Therapie.
Schlussfolgerung: TSG-6 wird physiologisch exprimiert im sich entwickelnden Gehirn. Änderungen der TSG-6 Expression im Rahmen einer Inflammation deuten auf eine Rolle von TSG-6 während einer Neuroinflammation hin. Die Reduktion der cleaved caspase-3 Menge durch TSG-6 demonstriert ein mögliches neuroprotektives Potential von exogenem TSG-6 bei inflammatorischen Schädigungen während der Hirnentwicklung
Biochemische und strukturelle Rekonstitution des äußeren Kinetochores von Drosophila melanogaster
No full textEine genaue Chromosomensegregation während der Mitose und der Meiose ist entscheidend für die zelluläre und organisatorische Lebensfähigkeit. Kinetochore verbinden Chromosomen mit Spindel-Mikrotubuli und sind für die Chromosomensegregation essentiell. Diese großen Proteingerüste entstehen aus dem Zentromer, einer spezialisierten Region des Chromosoms, angereichert mit der Histon-H3-Variante CENP-A. In den meisten Eukaryoten besteht der Kinetochore-Kern aus dem Zentromer-proximalen konstitutiven Zentromer-assoziierten Netzwerk (CCAN), das CENP-A bindet und 16 Untereinheiten enthält, und des Zentromer-distalen Knl1/Zwint, Mis12C, Ndc80-Komplexnetzwerk (KMN). Das KMN-Komplexnetzwerk bindet Mikrotubuli und setzt sich aus 10 Untereinheiten zusammen. In der Fruchtfliege Drosophila melanogaster erlebte die Kinetochore bemerkenswerte Vereinfachungen. Alle CCAN-Untereinheiten, mit Ausnahme von Zentromer-Protein C (CENP-C) und zwei KMN-Untereinheiten, Dsn1 und Zwint, können in diesem Organismus nicht identifiziert werden. Zusätzlich sind zwei paralogs der KMN-Untereinheit Nnf1 (Nnf1a und Nnf1b) vorhanden. Schließlich erlebte die Spc105R-Untereinheit, homolog zu humanem Knl1/CASC5, im Vergleich zu anderen Organismen erhebliche Sequenzänderungen. Wir kombinierten die biochemische Rekonstitution mit biophysikalischen und strukturellen Methoden, um zu untersuchen, wie sich diese Veränderungen auf die Organisation des Drosophila KMN Netzwerks auswirken. Wir zeigen, dass die Nnf1a- und Nnf1b-Paralogs Untereinheiten unterschiedlicher Komplexe sind, die beide direkt mit Spc105 und mit CENP-C wechselwirken, wobei letztere eine Bindungsstelle an der Mis12-Untereinheit identifizieren. Unsere Studien beleuchten die strukturelle und funktionelle Organisation eines stark divergierenden Kinetochore-Teilchens.Dividing cells go through a series of events, named the cell cycle, to generate two new cells that are genetically equal. Faithful sister chromatid separation to the arising daughter cells is a crucial step in the cell cycle. To achieve that, kinetochores, multi-protein complexes that assemble on centromeric chromatin, act as a bridge between microtubules and chromatids. In human and yeast, kinetochores consist of two major parts: the constitutive centromere-associated network (CCAN, the inner kinetochore) and the Knl1 complex, Mis12 complex, Ndc80 complex (KMN) network. The CCAN contains 16 subunits and links the kinetochore to CENP-A. The KMN network contains 10 subunits and is responsible for the binding of microtubules and the recruitment of spindle assembly checkpoint (SAC) components. The popular model organisms Drosophila melanogaster and related organisms have a significantly simplified kinetochore: they lost all CCAN components with the exception of CENP-C and lost two outer kinetochore subunits (one Mis12 complex (Mis12C) subunit and one Knl1 complex subunit, Zwint). In addition, there are two homologues of the Mis12C subunit Nnf1 (Nnf1a and Nnf1b). The simplified Drosophila kinetochore thus forms an ideal model to study conserved structural and functional properties of kinetochores. During my doctoral work, I studied the Drosophila KMN network using an in vitro biochemical reconstitution approach. My reconstitution experiments indicate that there are two distinct three-subunit Mis12 complexes in Drosophila, DmMis12a and DmMis12b complexes. Despite the absent subunit, negative stain electron microscopy shows that the DmMis12C has an extended polarized structures, comparable to its human and yeast counterparts. Biochemical studies combined with cross-linking-mass spectrometry (XL-MS) proved that Mis12 and Nnf1 form the backbone of Mis12C in both DmMis12a and DmMis12b. Using deletion experiments, I proved that both the C-terminal of Knl1 and the N-terminal of CENP-C bind to DmMis12C. Furthermore, I identified the motifs responsible for the binding between CENP-C and Mis12C in Drosophila: the conserved 3 phenylalanine residues at the N-terminal of Mis12 (F12, F13 and F15) and the 27 amino acids at the N-terminal end of CENP-C (residues 9 to 35). In cooperation with Dr. Arsen Petrovic and Dr. Jenny Keller, we solved the high-resolution structure of the tetrameric human Mis12C in complex with the N-terminal segment of CENP-C. We provided a model for how Aurora B controls Mis12C assembling to kinetochore. We demonstrated that the Dsn1 subunit is an important substrate of Aurora B in the human Mis12C. Together with a structure-based in silico analysis, this led us to hypothesize that the lost subunit in Drosophila Mis12 complex could be Nsl1, and not Dsn1 as previously suggested. In summary, my studies provided new insights on the structural and functional properties of outer kinetochores in humans and Drosophila
Elektrochemische und spektroskopische Untersuchungen an Katalysatoren für die elektrochemische Wasserspaltung
No full textMnOx and IrOx catalysts were investigated under in situ and ex situ operational condition with Raman spectroscopy. The water oxidation side of water splitting reaction is much more kinetically complex and demanding than hydrogen evolution reaction. So understanding the oxygen evolution reaction is of the crucial importance towards the efficient production of hydrogen and implementing green hydrogen energy economy.MnOx- und IrOx-Katalysatoren wurden unter In-situ- und Ex-situ-Bedingungen mit Raman-Spektroskopie untersucht. Die Wasseroxidationsseite der Wasserspaltungsreaktion ist viel kinetisch komplexer und anspruchsvoller als die Wasserstoffentwicklungsreaktion. Daher ist das Verständnis der Sauerstoffentwicklungsreaktion von entscheidender Bedeutung für die effiziente Produktion von Wasserstoff und die Implementierung einer grünen Wasserstoff-Energiewirtschaft
Ein Toolkit zur Quantifizierung der Stichprobenqualität von Molekül-Dynamik Trajektorien: eine Studie über hochflexible Biomoleküle
No full textIn this computational work, we investigate the sampling of molecular dynamics (MD) simulations of the two highly flexible biomolecules: Methionine-enkephalin (Met-Enkephalin) and the third variable loop (V3) of the glycoprotein 120 (gp120) from the human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1).
The conformational dynamics of the three-dimensional (3D) protein structures are of central importance for the biomolecular function. A common possibility to obtain these dynamics at atomic resolution are MD simulations. But reaching a converged MD sampling in adequate time is limited by the huge conformational space of flexible systems. Moreover, an automatic sampling validation is still not established as settled protocol in today's MD studies. Furthermore, existing tools aim primarily to investigate single trajectory convergence which is not always practical for flexible molecules. But in fact, a universal assessment is necessary to classify, whether the sampling is sufficient or not. Otherwise the extracted thermodynamic results are completely meaningless.
The aim of this work is to develop a toolkit to quantitatively assess the MD sampling quality for flexible systems. This toolkit is freely available at https://github.com/MikeN12/PySamplingQuality. We use diverse sets of trajectories with different initial conformations along with enhanced sampling techniques such as accelerated MD (aMD) and scaled MD (sMD). These distort the energy landscape to ease conformational transitions. The sampling is assessed by two new quantities, the conformational Oconf and density overlap Odens, including also the cluster number Nc and cluster distribution entropy Sc. These new overlap quantities measure the self-consistency of sampling as a necessary condition for complete sampling.
We use Met-Enkephalin as benchmarking system because of its small size but non-trivial dynamics. Our tool reveals that the MD sampling of already such a small molecule converges in a microsecond regime. Furthermore, we can show that aMD is the most efficient algorithm to assess the convergence and also to detect wrong sampling. However, Odens analysis comparing MD with aMD/sMD reveals that we have not completely corrected the bias from enhanced sampling. Therefore, Odens can also be used to compare different methods. On the other hand, V3 demonstrates that much more resources must be spent to achieve convergence compared to those generally invested today. The results highlight the necessity of a multi-trajectory approach to detect incomplete sampling.
Altogether, we are able to generate a universally and easily applicable toolkit to assess the MD sampling quality of any kinds of multi-trajectory experiments using certain error estimates and decide, whether the extracted thermodynamic properties are correct or not.In dieser Arbeit wird das Sampling von Molekulardynamik (MD) Simulationen von zwei flexiblen Biomolekülen untersucht: Methionin-Enkephalin (Met-Enkephalin) und dem dritten variablen Loop (V3) des Glykoproteins 120 (gp120) des Humanen Immundefizienz-Virus Typ-1 (HIV-1).
Die Dynamik von drei-dimensionalen (3D) Protein-Strukturen ist von zentraler Bedeutung für die Beschreibung der biomolekularen Funktion. Die Dynamik wird mittels MD Simulationen auf atomarem Level untersucht. Das Erreichen eines konvergierten MD Samplings in adäquater Zeit ist jedoch durch den riesigen Konformationsraum von flexiblen Molekülen begrenzt. Des Weiteren ist eine automatische Validierung des Samplings bisher nicht etabliert in heutigen MD Studien, und existierende Verfahren konzentrieren sich vorwiegend auf die Konvergenzanalyse einzelner Trajektorien. Dies ist für flexible Moleküle problematisch. Dabei ist es notwendig ein ausreichendes Sampling zu quantifizieren, ansonsten sind berechnete thermodynamische Größen bedeutungslos.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Toolkits, welches die Samplingqualität von MD Simulationen von flexiblen Systemen quantifiziert. Dieses ist frei verfügbar unter https://github.com/MikeN12/PySamplingQuality. Hierzu werden verschiedene Sätze von Trajektorien aus verschiedenen Startkonformationen und sogenannte Enhanced Sampling Algorithmen wie accelerated MD (aMD) und scaled MD (sMD) kombiniert. Diese modifizieren die Energielandschaften um Übergänge zu vereinfachen. Die Samplingqualität wird durch zwei neue Messungen quantifiziert, dem Konformations- Oconf und Dichteüberlapp Odens, unter Hinzunahme der Clusteranzahl Nc und der Entropie der Clusterverteilung Sc. Diese neuen Überlappgrößen klassifizieren die Selbstkonsistenz.
Met-Enkephalin wird als Testsystem verwendet, aufgrund dessen geringer Peptidlänge aber dennoch hochflexiblen Verhaltens. Unser Tool zeigt, dass bereits ein so kleines Molekül Simulationen von Mikrosekunden zur Konvergenz des Samplings benötigt. Weiterhin gilt, dass aMD sowohl Konvergenz als auch ungenügendes Sampling am schnellsten erkennt. Dennoch hat der Vergleich von Odens zwischen MD und aMD/sMD gezeigt, dass die Modifikation des Enhanced Samplings nicht vollständig wiederhergestellt werden konnte. Dies kann jedoch mittels Odens untersucht werden. V3 hingegen beweist, dass viel mehr Ressourcen als gewöhnlich notwendig sind, um Konvergenz zu erhalten. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit eines Multitrajektorien Ansatzes, um ungenügendes Sampling eindeutig zu erkennen.
Zusammenfassend ist es mit dem Toolkit möglich, das Sampling von Multitrajektorie-Experimenten zu validieren, unter der Angabe von Fehlerabschätzungen, und zu entscheiden, ob die berechneten thermodynamischen Größen korrekt beschrieben werden
Interaction Room - Eine Methode zur Förderung der Wertorientierung in Planung und Requirements Engineering von Informationssystemen
Get PDFSoftware wird immer wichtiger in unserer Gesellschaft, trotzdem dauern IT-Projekte länger und werden teurer, als ursprünglich geplant, sie verfehlen ihre funktionalen und qualitativen Ziele oder werden vorzeitig abgebrochen. Durch inhärente Ungewissheit, Komplexität und mangelnde Wertorientierung wird eine realistische Projektplanung für die Entwicklung von Informationssystemen erschwert. Auf Basis eines unzureichenden Verständnisses über Anforderungen, Risiken und Ziele kann der zu leistende Aufwand nicht realistisch geschätzt werden, die daraufhin allokierten Ressourcen, bereitgestellten monetären Mittel und die geplante Projektlaufzeit reichen für eine erfolgreiche Projektumsetzung nicht aus.
Die initiale Verständnisbildung über Anforderungen und Risiken geschieht in plangetriebenen Vorgehensweisen zu Beginn eines Projekts durch eine umfangreiche Analyse und möglichst vollständige Spezifikation. Das Schreiben vollständiger Spezifikationen ist jedoch unwirtschaftlich, weil soziotechnische Systeme nicht vollständig beschreibbar sind und emergente Anforderungen in erkenntnisgetriebenen Softwareprozessen zu Änderungen führen. In agilen Vorgehensweisen wird das Verständnis durch die gleichen Aktivitäten, jedoch in kurzen Zyklen und ohne vollständige Spezifikation zu Projektbeginn, durch enge Zusammenarbeit zwischen Kunden und Entwicklungsteams hergestellt. Um Projekte erfolgreich planen zu können, müssen die richtigen Anforderungen in angemessenem Detailniveau verstanden und dokumentiert sein. Plangetriebene und agile Vorgehensweisen liefern den organisatorischen Rahmen zur Herstellung eines expliziten und impliziten gemeinsamen Verständnisses. Das Erkennen erfolgskritischer Projektinhalte obliegt der Verantwortung einzelner Rolleninhaber in den Vorgehensweisen – eine strukturierte Herangehensweise, um die Aspekte eines Projektes explizit zu machen, die über Erfolg und Misserfolg eines Projektes entscheiden können, existiert nicht.
Um einen Beitrag zum Erfolg von IT-Projekten durch deren realistische Planung zu leisten, wird in dieser Arbeit der Interaction Room vorgestellt: Eine Methode, in der interdisziplinäre Teams pragmatische Modelle über das Verhalten sowie die Struktur eines Informationssystems in moderierten Workshops skizzieren. Sie kennzeichnen Wert-, Aufwands- und Risikotreiber in Modellskizzen, die auf Interaction-Room-Landkarten visualisiert werden. Dabei veranschaulicht die Feature-Landkarte den funktionalen Projekt-umfang. Die Prozesslandkarte veranschaulicht durch das Informationssystem unterstützte Prozesse zur Erfüllung der funktionalen Anforderungen. Die Objektlandkarte veranschaulicht erzeugte und verarbeitete Geschäftsobjekte und die Integrationslandkarte veranschaulicht direkte Schnittstellen des Informationssystems zu benachbarten Systemen sowie ausgetauschte Geschäftsobjekte. Die Kennzeichnung von Wert-, Aufwands- und Risikotreiber geschieht mit Hilfe von getypten Annotationen, die von den Stakeholdern des interdisziplinären Teams auf die Landkarten geheftet, im Anschluss diskutiert und dokumentiert werden. Durch die Annotationstypen lassen sich z. B. Werte für Nutzer, Flexibilitätsanforderungen und Ungewissheit kennzeichnen. Die Erkenntnisse aus Inter-action-Room-Workshops werden in eine pragmatische Struktur für Anforderungsdokumente überführt und können dadurch unmittelbar in Softwareprozessen weiter verwendet werden.
Zwischen November 2011 und Februar 2017 wurden 23 Analyse-, Neuentwicklungs-, Weiterentwicklungs- und Migrationsprojekte mit Industriepartnern unterschiedlicher Branchen durchgeführt. Auf dieser Datenbasis wurden unterschiedliche Methodenparameter auf Zusammenhänge untersucht. Erwartungsgemäß bestehen positive Zusammenhänge zwischen Metriken der Projektgröße, zwischen dem Vorschlag zur Verwendung von Annotationstypen und deren tatsächlicher Verwendung, sowie zwischen der Menge verwendeter Annotationstypen und der Anzahl Duplikate. Außerdem besitzen die Inter-action-Room-Annotationen positiven Einfluss auf die Genauigkeit der Aufwandsschätzung. Die Planung von Entwicklungsiterationen kann durch Interaction-Room-Landkarten unterstützt werden, wodurch eine quantitative Verbesserung bei der Identifikation von Arbeitspaketen beobachtet wurde. Die Verbesserung besitzt positiven Einfluss auf die Fortschrittsmessung während einer Iteration und damit auf ihre Erfolgsprognose. Die Intervention kann in ein übliches Vorgehen zur Planung von Entwicklungsiterationen integriert werden, weil sie von den Planenden nicht als störend wahrgenommen wurde