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Near-infrared diode laser absorption spectroscopy for measuring film thickness, temperature, and concentration in liquid films
No full textNear-infrared (NIR) laser-absorption diagnostics in combination with diode lasers as light sources and fiber-optic beam delivery have been used extensively for in situ measurements of concentration and temperature of gas-phase combustion products (e.g., H2O, CO, CO2, NO2, NO) due to the intrinsic advantages of this fast, sensitive, quantitative, and non-intrusive optical sensing technique. These measurements help designers, operators, and re-searchers of combustion devices to study combustion chemistry and thus reduce pollution and increase efficiency. This work focuses on liquid-phase absorption spectroscopy for analysis of liquid water films. In previous work, a multi-wavelength NIR diode laser ab-sorption sensor had been developed in our laboratory to monitor liquid water thin films with ~1.4 µm radiation. This thesis presents new applications of this sensor concept for real-time monitoring of the thickness, solute concentration, and temperature of thin films of aqueous solutions of NaCl and urea. The sensor monitors the transmittance of four near-infrared diode lasers through the aqueous liquid film deposited on a quartz plate. The varia-tion of the absorption spectrum of the solution with temperature and solute concentration was used to select wavelengths for determining film thickness, solute concentration, and liquid temperature from ratios of the transmission measurements, where at least one of the two desired parameter (temperature or concentration) is known. The spectral database was measured by Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry in the 5500–8000 cm–1 range for the respective solutions at various concentrations and temperatures. A prototype sensor was constructed, and the sensor concept was validated with measurements using a temper-ature-controlled calibration cell with known plate separations. Temporal variations of film thickness and solute concentration were captured during the constant-temperature evapora-tion of liquid films deposited on optically polished temperature-stabilized quartz flats.
The development of a four-wavelength NIR laser-based absorption diagnostic for simulta-neous measurement of thickness, temperature and urea concentration coupled with Bayesi-an methodology is described. The Bayesian analysis is based on a spectral database gener-ated with a FTIR spectrometer in the 5500–8000 cm–1 range with variable temperature and urea concentration. The concept was first validated with measurements using the calibra-tion cell. Probability densities in the measured parameters were quantified using a Markov-chain Monte-Carlo (MCMC) algorithm, which were used to derive credibility intervals. As a practical demonstration, the temporal variation of film thickness, urea concentration, and liquid temperature were recorded during evaporation of a liquid film deposited on a trans-parent heated quartz plate.
Finally, a dual-wavelength diode laser-based absorption sensor for stand-off point meas-urements of water film thickness on an opaque surface is presented. The sensor consists of a diode laser source, a foil as backscattering target, and off-axis paraboloids for collecting the fraction of the laser radiation transmitted through the liquid layer via retro-reflection. The water film thickness at a given temperature was determined from measured transmit-tance ratios at the two laser wavelengths. The sensor concept was first validated with measurement using the temperature-controlled calibration cell providing liquid layers of variable and known thickness between 100 and 1000 µm. Subsequently, the sensor was demonstrated successfully during recording the time varying thickness of evaporating wa-ter films at fixed temperatures. The film thickness was recorded as a function of time at three temperatures down to 50 µm.Nahinfrarot (NIR) Laser-Absorptionsdiagnostik in Kombination mit Diodenlasern als Lichtquellen und faseroptischer Strahlübertragung sind in großem Umfang in der Gasphase als schnelle, empfindliche, quantitative und berührungslose optische Messtechnik für die In-situ-Messung von Konzentrationen (z.B. H2O, CO, CO2, NO2 und NO) und der Tempe-ratur eingesetzt worden. Diese Messungen können Entwicklern, Betreibern und Forschern von Verbrennungsvorrichtungen helfen, Verbrennungsprozesse zu verstehen und dadurch Abgase zu verringern und die Effizienz zu erhöhen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Absorptionsspektroskopie in der flüssigen Phase für die Analytik von wässri-gen Filmen. In einer früheren Arbeit wurde ein auf Diodenlasern basierender Absorptions-sensor mit einer Kombination von mehreren Wellenlängen (~1.4 µm) in unserem Labor entwickelt, um Schichtdicken von wässrigen Flüssigkeitsfilmen zu bestimmen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden neue Anwendungen des Sensorkonzepts vorgestellt, wobei lokale Eigenschaften wässriger Filme, nämlich Filmdicke, Temperatur und die Konzentrati-on von gelösten Substanzen (Salze, Harnstoff) detektiert werden. Dieser Sensor bestimmt die optischen Transmissionen durch wässrige Filme auf einer transparenten Quarzglasplatte. Die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit der Absorptionsspektren wässriger Lö-sungen wurde genutzt, um für eine Auswahl von Laserwellenlängen die Schichtdicke, Konzentration gelöster Stoffe und die Temperatur aus der Variation zu bestimmen, wobei mindestens einer von zwei erwünschten Parametern (Temperatur oder Konzentration) be-kannt sein musste. Diese Spektrendatenbank wurde durch Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR-Spektroskopie) im Spektralbereich zwischen 5500 und 8000 cm–1 für entsprechende Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen und Temperaturen erstellt. Ein Prototyp-Sensor wurde durch Messungen mit einer Kalibrierküvette bei bekannter Temperatur und bekannter Schichtdicke validiert. Anschließend wurden die zeitlichen Va-riationen von Schichtdicke und Konzentration während der Verdunstung eines freien Was-serfilms bei konstanter Temperatur auf einer transparenten Quarzglasplatte gemessen.
Um mehr als zwei Parameter (Filmschichtdicke, Temperatur und Harnstoffkonzentration) simultan messen zu können, wird anschließend eine Weiterentwicklung der Diagnostik zu-sammen mit der Bayes‘schen Methode beschrieben. Die Bayes‘sche Analyse basiert auf einer Spektrendatenbank, die mit einem FTIR-Spektrometer im NIR-Bereich (5500–8000 cm–1) mit unterschiedlichen Temperaturen und Harnstoffkonzentrationen erstellt wurde. Dieses Konzept wurde zuerst an bekannten Schichtdicken in einer Kalibrierküvette validiert. Die Wahrscheinlichkeitsdichten der Messgrößen wurden durch einen Markov-Chain-Monte-Carlo-Algorithmus (MCMC-Algorithmus) ermittelt, aus dem sich die glaub-haften Intervalle bestimmen lassen. Für eine praktische Demonstration wurden die zeitli-chen Variationen von Filmdicke, Harnstoffkonzentration und Flüssigkeitstemperatur wäh-rend eines Verdampfungsvorgangs auf einer transparenten und beheizten Oberfläche be-stimmt.
Schließlich wird ein auf zwei Diodenlasern verschiedener Wellenlänge basierender Absorp-tionssensor für die Messung von Filmparametern von auf nicht-transparenten Oberflächen deponierten Filmen vorgestellt. Der Sensor besteht aus einer Diodenlaser-Quelle, einer Fo-lie als Rückstreutarget und Off-Axis-Parabolspiegeln zum Sammeln der durch den Wasser-film transmittierten und an der Folie retroreflektierten Laserstrahlung. Die Wasserfilmdicke bei einer gegebenen Temperatur wurde aus der Variation der gemessenen Transmissionen bei den beiden Laserwellenlängen bestimmt. Das Sensorkonzept wurde zuerst in einer Ka-librierküvette mit Temperaturregelung und bekannter Filmdicke von 100 bis 1000 µm vali-diert. Dann wurde der Sensor für die Aufnahme zeitlicher Änderungen der Schichtdicke eines verdampfenden Wasserfilms bei einer festgelegten Temperatur erfolgreich demons-triert. Die Schichtdicke wurde als Funktion der Zeit bei drei Temperaturen bis zu 50 µm aufgezeichnet
B-Myb is a crucial proviral host-factor and is involved in arenavirus mediated tumor suppression
No full textViren besitzen eine minimale Überlebensausstattung, die ihren Fortbestand in widrigen Umständen sichert, aber sie nicht zur unabhängigen Reproduktion befähigt. Letzteres zu kompensieren, berauben sie die Resourcen ihres Wirts und beuten die Wirts-Maschinerie zu ihrem Vorteil aus. Diese Faktoren ermöglichen in erster Linie die Virus-Replikation und führen daher zur Infektion des Wirts. Sie sind aber auch - vielleicht eher kontraintuitiv – nötig zur Sicherung der Virusreplikation in antigen-präsentierenden Zellen (antigen presenting cells; APCs), wodurch es zur Antigen-Prozessierung und -Präsentation kommt, welche widerum die Immunaktivierung auslöst, damit die Infektion beseitigt werden kann.
Das angeborene und das adaptive Immunsystem arbeiten nebeneinander, um Infektionen effektiv zu bekämpfen. Wir haben gezeigt, dass eine verstärkte Virusreplikation in den CD169+ Makrophagen der Milz wichtig für eine Immunaktivierung ist. In dieser Arbeit haben wir eine neue Funktion eines Transkriptions-Faktors identifiziert, der bereits für seine bedeutende Rolle in Zellreplikation und -proliferation bekannt ist. Die vorliegende Arbeit erarbeitet Rolle von B-Myb in der Virus-Replikation und untersucht den therapeutischen Effekt einer LCMV-Infektion bei Tumoren.
B-Myb ist ein wichtiger Transkriptionsfaktor für Zellproliferation, Mitglied des DREAM-Komplexes und bekannt dafür, die Expression vielzähliger Gene zu induzieren. Hier wird gezeigt, dass B-Myb auch ein bedeutender Faktor ist, der während der Virus-Replikation aktiviert wird und dem Virus hilft, indem er die Expression verschiedener Wirts-Faktoren erhält, die für die Virion-Produktion und -Freisetzung benötigt werden. Wir haben beobachtet, dass die Aktivierung von B-Myb bei der Virus-Replikation nicht zell-spezifisch ist. Wir zeigen, dass B-Myb-abhängige frühe Virus-Replikation in der Milz wichtig für die Aktivierung des adaptiven Immunsystems und somit der anti-viralen Antwort ist und das sowohl bei RNA- als auch DNA-Viren.
Zudem wird gezeigt, dass die B-Myb-abhängige Replikation eine Bedingung für die humanen Viren HSV und HIV ist. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Effekt von B-Myb abhängiger LCMV-Replikation bei Tumoren untersucht. Interessanterweise, decken wir das Potential von LCMV als Anti-Tumor-Therapeutikum auf, dass verglichen mit onkolytischen Viren vergleichbar oder sogar effektiver ist. Wir demonstrieren, dass eine LCMV-Behandlung ein Eindringen von Immunzellen in Tumore bewirkt. Darüberhinaus wird gezeigt, dass eine LCMV-Behandlung zur Tumor-Regression aufgrund von IFN-I produzierenden Ly6C+ Monozyten führt, welches anti-angiogenetisch wirkt.
Zusammenfassend haben wir eine neue Funktion von B-Myb als Wirtsfaktor identifiziert, der die Replikation mehrerer Viren vereinfacht. Wir zeigten die Wichtigkeit B-Myb’s für die frühe Virus-Replikation, Immun-Aktivierung und Infektionskontrolle auf. Zudem etablierten wir LCMV als eine IFN-I-abhängige Anti-Tumor-Therapie.Viruses have minimal survival requirements thus ensuring their survival in harsh conditions but are unable to replicate independently. To overcome this, they hijack host resources and exploit host machinery for their benefit. These factors enable virus replication in the first place thus infecting the host but perhaps rather counterintuitively they are also necessary to ensure virus replication in antigen presenting cells (APCs) to ensure virus antigen processing and presentation ensuring immune activation such that the infection can be cleared.
Innate and adaptive immune system works side-by-side in order to effectively combat infections. We have shown that enforced virus replication in splenic CD169+ macrophages is crucial for immune activation. In this study, we have identified a novel function of a transcription factor known for its crucial role in cell replication and proliferation. The present study thus deals with elaborating the role of B-Myb in virus replication and exploring the therapeutic effect of LCMV replication in tumors.
B-Myb is an important transcription factor for cell proliferation, member of DREAM complex and is also known to induce expression of multiple genes. Here, we show that B-Myb is also a major transcription factor activated during virus replication and helps the virus by maintaining the expression of various host-factors required for virion production and release. We observed that activation of B-Myb on viral replication is not cell-specific. We show that B-Myb dependent early virus replication in spleen is crucial for adaptive immune activation and thus anti-viral response in both RNA and DNA viruses. We also show here that B-Myb dependent replication is also a requirement for human viruses HSV and HIV. In the second portion of the thesis we explored the effect of B-Myb dependent LCMV replication in tumors. Interestingly, we show the potential of LCMV as anti-tumor virotheray which when compared to oncolytic viruses, is comparable or more effective. We demonstrated that LCMV treatment induces evasive immune infiltration in tumors. We show that LCMV treatment leads to tumor regression via IFN-I producing Ly6C+ monocytes which acts as anti-angiogenesis.
In conclusion, we have identified a new function of B-Myb as host factor facilitating the replication of multiple viruses. We demonstrated the importance of B-Myb in early virus replication for immune activation and infection control. We also established LCMV as an IFN-I dependent anti-tumor therapy
Konzeption, Implementierung und betriebswirtschaftliche Analyse eines prototypischen Systems autonomer, dezentral organisierter Software-Agenten zur Durchführung zweiseitiger kombinatorischer Auktionen von multimodalen Transportdienstleistungen am Beispiel des kombinierten Verkehrs
No full textIm Rahmen der Bemühungen der Europäischen Union (EU), den Güterverkehr aus verkehrs- und umweltpolitischen Gründen von der Straße auf die Schiene zu verlagern, werden Infrastrukturprojekte wie das "Projekt CODE24" gefördert. Im Rahmen dieses Projektes war unter anderem die Schaffung einer Online-Frachtenbörse zum elektronischen Handel von güterspezifischen Transportdienstleistungen vorgesehen.
Das Teilprojekt "Entwicklung einer Online-Güterbörse für Transportleistungen im Schienengüterverkehr" konnte Fortschritte u.a. bei der prototypischen Implementierung eines internetbasierten Softwaresystems vorweisen. Jedoch wurden im Laufe der Realisierung dieser Plattform strukturelle Nachteile der Etablierung einer Online-Frachtenbörse für Transportleistungen im Schienengüterverkehr deutlich. Einige dieser Nachteile sind direkt dem Verkehrsträger Schiene und den tradierten, teils hegemonialen Strukturen der Schienengüterverkehrsbranche zuzurechnen, wie bspw. die ausgeprägten Informationsasymmetrien zwischen Anbietern und Nachfragern von Transportdienstleistungen sowie die Notwendigkeit des Vor- und Nachlaufs auf der Straße.
Die Anforderungen an eine Online-Frachtenbörse für den Schienengüterverkehr orientieren sich stark an den Anforderungen des Verkehrsträgers Schiene und der mit ihm verbundenen Branchenstrukturen. Zusätzlich beinhalten sie auch regelmäßig die Forderung nach einer Berücksichtigung des Vor- und Nachlaufs der schienengebundenen Transporte über andere Verkehrsträger (am häufigsten per Lkw).
Hierdurch wird offenkundig, dass eine Erfolg versprechende Online-Frachtenbörse für den Schienengüterverkehr eine multimodale Frachtenbörse sein müsste, welche in der Lage ist, mehrere Verkehrsträgerarten bei der Durchführung kombinierter Verkehre zu berücksichtigen. Dies legt den Schluss nahe, dass ein Konzept für eine über schienengebundene Transporte hinausgehende Online-Frachtenbörse betriebswirtschaftlich wünschenswert ist.
Die Forschungsmotivation dieser Forschungsarbeit besteht darin – ausgehend von der bereits im EU-Projekt CODE24 erfolgten Forschung im Bereich "Online-Frachtenbörse für Transportleistungen im Schienengüterverkehr"' und unter Berücksichtigung der bereits gewonnenen Erkenntnisse – einen virtuellen Marktplatz zu konzipieren, welcher den Handel multimodaler Gütertransporte ermöglicht, während er möglichst viele der beschriebenen Nachteile aufhebt und die Einstiegshürden für potentielle Marktplatzteilnehmer so weit wie konzeptionell möglich senkt.
Die Zielsetzung dieser Forschungsarbeit ist die prototypische Implementierung dieses Marktplatzes in Form eines internetbasierten Softwaresystems. Es wird eruiert, wie sich die erstellten Konzepte in die Praxis übersetzen lassen und welche Probleme und Weiterentwicklungspotentiale bei ihrer Implementierung identifiziert werden können. Der im Rahmen dieser Forschungsarbeit implementierte Softwareprototyp demonstriert die technische Machbarkeit des konzipierten Marktplatzes
Enclosure and non-existence theorems in geometric measure theory
No full textEin stetiges, lineares Funktional auf der Menge der n-dimensionalen Differentialformen mit kompaktem Träger in einer offenen Menge des R^{n+k} heißt n-dimensionaler Strom mit Kodimension k. Wir betrachten n-dimensionale rektifizierbare Ströme mit kompaktem Träger, welche durch Integration über eine rektifizierbare Menge M entstehen. Diese Objekte erweitern die klassische Differentialgeometrie auf Flächen, welche nicht notwendigerweise glatt sind, durch Verallgemeinerung der Konzepte in einem maßtheoretischen Weg.
In dem ersten Teil dieser Arbeit beweisen wir Einschließungssätze für Area-stationäre Ströme, Ströme mit mittlerem Krümmungsvektor sowie für Area-stationäre Ströme in einem Gravitationsfeld und in Untermannigfaltigkeiten. Falls alle Randkomponenten in einer verallgemeinerten nichtkonvexen Menge liegen, dann ist bereits der gesamte Träger des Stroms in dieser Menge enthalten. Dazu setzen wir geeignete Barrierevektorfelder in die jeweiligen ersten Variationsformeln ein. Weiterhin zeigen wir, dass die Träger der Ströme in diesen verschiedenen Situationen nicht durch die Spitze eines Doppelkegels verlaufen können. Das führt zu Nichtexistenzsätzen für zusammenhängende, verallgemeinerte Flächen unter gewissen Bedingungen. In dem Fall der Area-stationären Ströme mit Kodimension Eins vergrößern wir den Öffnungswinkel des Kegels und geben den größtmöglichen Kegel mit der
Nichtexistenz-Eigenschaft an.
In dem zweiten Abschnitt betrachten wir Krümmungsflüsse für Flächen ohne Ränder, sodass wir mit rektifizierbaren Varifaltigkeiten arbeiten. Wir beweisen ein Einschließungsresultat für den Brakke-Fluss in eine zeitabhängige nichtkonvexe Menge und analysieren die
Entwicklung von Singularitäten. Wir enden mit der Definition eines schwachen mittleren Krümmungsflusses in einem Gravitationsfeld. Zusätzlich zu den Beweisen der grundlegenden Eigenschaften konzentrieren wir uns auf Vergleichs- und Einschließungssätze.A continuous linear functional on the set of n-dimensional differential forms with compact support in an open set of R^{n+k} is called an n-dimensional current with codimension k. We consider n-dimensional rectifiable currents with compact support which are obtained by integration over a rectifiable set M. These objects extend the classical differential geometry to surfaces that are not necessarily smooth by generalizing the concepts in a measure theoretic way.
In the first part of this thesis we prove enclosure theorems for area stationary currents, currents with mean curvature vector and for area stationary currents in a gravity field as well as in submanifolds. If all boundary components are in a generalized nonconvex set then
the whole support of the current is contained in this set. To see this we plug appropriate barrier vector fields into the first variation formulas. Furthermore we show that the supports of currents in all these different situations cannot pass through the vertex of a doublecone.
This leads to non-existence theorems for connected generalized surfaces under certain conditions. In case of area stationary currents of codimension one we are able to enlarge the angle of the cone and state the largest cone with the non-existence property.
In the second part we consider curvature flows of surfaces without boundaries, thus we deal with rectifiable varifolds. We prove an enclosure result for the Brakke-flow in a time dependent nonconvex set and we analyze the development of singularities. We end with the
definition of a weak mean curvature flow in a gravity field. In addition to the proofs of basic properties we focus on compare and enclosure theorems
Comparetive analysis of the products out of HTC and VTC in particular consideration of digestate as educt
No full textDer 1913 durch Bergius veröffentlichte Prozess der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) ist dazu geeignet, pflanzliche Biomasse mit einem hohen Wassergehalt in ein Produkt mit höherer Energiedichte zu konvertieren. Mit der hierdurch gewonnenen Möglichkeit des Einsatzes als Brennstoff gewinnt die Biomasse an Attraktivität.
Die vapothermale Carbonisierung (VTC) ist eine Weiterentwicklung dieses Prozesses. Der wesentliche Unterschied zur HTC besteht darin, dass der Reaktionsbehälter für die Aufheizung und Umsetzung der chemischen Prozesse nicht mit flüssigem Wasser, sondern mit Wasserdampf gefüllt wird. Hierdurch ist der Trockensubstanzgehalt des Produktes höher. Dies bietet erhebliche verfahrenstechnische Vorteile.
In dem vorliegenden Dokument wird gezeigt, dass die chemischen Reaktionen in beiden Prozesse ähnlich sind, jedoch zu Produkten mit sehr unterschiedlichen Brennstoffeigenschaften führen.The process, published by Bergius in 1913, of hydrothermal carbonization (HTC) is suitable to convert vegetable biomass with a high water content into a product of higher energy density. Therefore it definitely gains attractiveness as a fuel.
Vapothermal carbonization (VTC) is a further development of that process. The main difference to HTC is that the reaction vessel for heating and implementation of the chemical process is not filled with liquid water, but with water vapor. Thereby, the dry solids content of product is higher. This offers significant technical advantages.
This document will demonstrate, even though the plain chemical reactions in both processes are similar, the out coming products are different with respect to the typical characteristics of fuels
Funktionelle Analyse der Interaktionen der Spindel Assembly Checkpoint Proteine BubR1 und Bub1 am Kinetochor
No full textFür die Zellteilung ist es wichtig, dass die Chromosomen über große Proteinkomplexe (sogenannte Kinetochore) richtig an die mitotische Spindel angeheftet sind. Fehler bei der Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen können zu einer veränderten Chromosomenanzahl führen. Solche sogenannten "Aneuploidien" sind eng mit der Entstehung von Tumoren verknüpft. Der "Spindle Assembly Checkpoint (SAC)" hat sich als essentieller Kontrollmechanismus entwickelt, um Fehler bei der Chromosomenverteilung zu verhindern. Der SAC überwacht die korrekte Anheftung der Mikrotubuli der mitotischen Spindel an die Kinetochore und synchronisiert dies mit dem Voranschreiten der Zelle im Zellzyklus.
Bub1 und BubR1 sind wichtige Bestandteile des SAC, die sich durch mehrere Genduplikationen aus einem gemeinsamen Vorläufergen entwickelt haben. So sind zwei Genprodukte mit sehr ähnlichem Aufbau, aber unterschiedlichen Funktionen entstanden. Bisher ist bekannt, dass die Kinetochor-Lokalisation von BubR1 von der vorherigen Anwesenheit Bub1s abhängt, die Kinetochor-Lokalisation von Bub1 jedoch unabhängig von BubR1 ist. Die molekulare Grundlage für diese Unterschiede im Rekrutierungsmechanismus von Bub1 und BubR1 war jedoch bisher unbekannt, da beide Proteine an Bub3, ein Adapterprotein für phosphorylierte Kinetochore, binden. In dieser Doktorarbeit wurde die Grundlage für das unterschiedliche Verhalten identifiziert. Bub1, jedoch nicht BubR1, verstärkt die Bindung von Bub3 an phosphorylierte Kinetochore durch eine kurze Region in der Bub3-Bindedomäne von Bub1, die "Loop" genannt wird. Dies erklärt warum BubR1 über einen alternativen Weg ans Kinetochor gelangen muss. Der Austausch der Loops zwischen Bub1 und BubR1 bewirkte einen Funktionsverlust von Bub1, welches nicht mehr in der Lage war am Kinetochor zu lokalisieren und einen Funktionsgewinn von BubR1, das so unabhängig von Bub1 ans Kinetochor gelangen konnte. Die Beobachtung, dass diese Loop-Austausch-Mutante von BubR1 jedoch nicht in der Lage war die SAC Funktion von BubR1 zu erfüllen, führte zur Identifikation der genauen Funktion des Loops in BubR1. In vivo und in vitro Experimente haben gezeigt, dass die besondere Sequenz des BubR1 Loops eine entscheidende Rolle in der Vermittlung der Bindung von BubR1 an den APC/C spielt. Ferner wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass eine direkte Interaktion zwischen Bub1 und BubR1 Voraussetzung für die Kinetochor-Lokalisation von BubR1 ist. Diese Heterodimerisierung erfordert strukturell equivalente Domänen in beiden Proteinen, zum einen die Bub3-Bindedomäne und zum anderen eine Region, die sich direkt an die Bub3-Bindedomäne anschließt und eine Helix bilden soll. Des Weiteren müssen Bub1 und BubR1 für ihre Interaktion an Bub3 gebunden sein. Interessanterweise kann die Heterodimerisierung auch ohne Kinetochore stattfinden. Zusammenfassend zeigt diese Doktorarbeit wie Genduplikation und die anschließende Subfunktionalisierung die Unterschiede im Verhalten von zwei eng verwandten Proteinen, die beide Teil eines essentiellen molekularen Netzwerkes sind, entscheidend beeinflussen können. Dies liefert ein tiefergehendes Verständnis darüber, wie das SAC Signal auf molekularer Ebene erzeugt wird.Cell division or loss of sister chromatid cohesion prior to achievement of bi-orientation leads to missegregation of chromosomes and causes aneuploidy, which is closely associated with tumorigenesis. To prevent this, the Spindle Assembly Checkpoint (SAC) monitors correct attachment of spindle microtubules to kinetochores (large protein assemblies on centromeric DNA) and coordinates this with cell cycle progression. Bub1 and BubR1, essential SAC components, evolved through several duplication events from an ancestor gene creating two structurally related gene products with highly diversified functions. Previously, BubR1 has been shown to depend on Bub1 for its kinetochore localization, whereas Bub1 localizes to kinetochores independently of BubR1. However, the molecular basis for such differences in recruitment has been unclear, as Bub1 and BubR1 both bind to Bub3, a targeting adaptor for phosphorylated kinetochores. In my PhD project, the basis of the different localization behavior has been identified. I demonstrated that Bub1, but not BubR1, enhances binding of Bub3 to phosphorylated kinetochores via a short motif in its Bub3-binding domain (B3BD) called the "loop". This provided an explanation for why BubR1 relies on an alternative mechanism for kinetochore localization. Consequently, swapping loops created a loss-of-function Bub1, impaired in kinetochore localization, and a gain-of-function BubR1, localizing to kinetochores independently of Bub1. However, the inability of the loop-swap mutant of BubR1 to retain BubR1 SAC function led to the subsequent identification of the specific role of the BubR1-loop. In vivo and in vitro experiments established that the unique sequence of the BubR1-loop promotes binding of BubR1 to the APC/C. Additionally, this study showed for the first time that kinetochore localization of BubR1 relies on a direct interaction with Bub1. Hetero-dimerization requires structurally equivalent domains in both proteins, the B3BD and a subsequent helical segment. Furthermore, both proteins need to be bound to Bub3 for this interaction to take place. Interestingly, hetero-dimerization of Bub1 and BubR1 did not require kinetochores. Collectively, my PhD work illustrates how gene duplication and subsequent sub-functionalization determine the differences in the behavior of two closely related proteins as part of an essential molecular network providing a further step in our understanding of how the checkpoint signal is generated at the molecular level
Characterization of myeloid-derived suppressor cells during acute Friend retrovirus infection of mice
No full textMyeloide Suppressorzellen (MDSCs) wurden vor kurzem auf Grund ihrer Suppression von T-Zellen identifiziert. Der inhibitorische Einfluss von MDSCs wurde in verschiedenen Tumorerkrankungen beobachtet. Die Funktion dieser Zellen während der viralen Infektion ist jedoch bis heute nicht vollständig verstanden.
Das Friend Virus Mausmodell eignet sich sowohl für die Untersuchung der akuten als auch der chronischen retroviralen Infektion. Ähnlich wie bei Infektionen mit dem Humanen Immundefizienz-Virus (HIV) oder Hepatitis-C-Virus (HCV), bekämpfen zytotoxische virus-spezifische CD8+ T-Lymphozyten (CTLs) die akute Virusinfektion, wohingegen sie während der chronischen Infektion dysfunktional sind.
Insgesamt wurde in dieser Doktorarbeit der Einfluss von Myeloiden Suppressorzellen auf zytotoxische CD8+ T-Zellen während der akuten Friend Virus Infektion untersucht. Zwei Populationen von MDSCs, granulozytäre MDSCs (gMDSCs) und monocytäre MDSCs (mMDSCs) werden während der späten Phase der akuten FV Infektion expandiert, was mit einer CD8+ T-Zell-Kontraktion korreliert. Eine Population der MDSCs, die Granulozytären MDSCs, zeigen einen suppressiven Einfluss auf die CD8+ T-Zell-Proliferation und die Produktion von zytotoxischen Granula in vivo. Dieser Effekt kann durch verschiedene Mechanismen modelliert werden, wie beispielsweise PD-L1, Arginase, Stickstoffmonoxid oder CD39. Die Interaktion zwischen verschiedenen hemmenden Mechanismen, wie Myeloide Suppressorzellen, regulatorischen T-Zellen und inhibitorischen Rezeptoren und Liganden während der akuten FV Infektion wurde beobachtet. Die Elimination von zwei wichtigen immunregulatorischen Mechanismen führte nach Depletion der regulatorischen T-Zellen und der Blockierung von PD-L1 und TIM3 zur Expansion der Myeloiden Suppressorzellen und einer neuen, durch CD11bdim charakterisierten Population, die starke supprimierende Effekte gegenüber CD8+ T-Zellen zeigt.
Myeloide Suppressorzellen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Immunantwort. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, d. h. die hemmende Rolle von Myeloide Suppressorzellen während der akuten Friend Virus Infektion, können als Ansatz für eine Immuntherapie retroviraler Infektionen verwendet werden.A recently observed population of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) restrains the T cell immune response by showing robust suppressive activity. The inhibitory influence of MDSCs was observed in different tumor diseases. First attempts to describe MDSCs in infectious diseases were conducted. Nonetheless, the role of these cells during viral infection is not fully understood.
Friend virus is a good model to study both acute and chronic retroviral infections. In the FV model, similar to the Human Immunodeficiency Virus (HIV) or Hepatitis C Virus (HCV) infections, cytotoxic virus-specific CD8+ T Lymphocytes (CTLs) efficiently control acute virus infections but become exhausted when a chronic infection develops.
The data presented in this thesis evidences the influence of myeloid derived suppressor cells on cytotoxic CD8+ T cells during acute Friend Virus infection. Two populations of MDSCs, granulocytic MDSCs (gMDSCs) and monocytic MDSCs (mMDSCs), are expanding during the late phase of acute FV infection, which may be correlated with the CD8+ T cell contraction. Additionally, the in vivo elimination of the expanded population of granulocytic MDSCs shows the suppressive influence of these cells on CD8+ T cell proliferation and their production of cytotoxic granules. This effect may be mediated by several mechanisms, as proven in vitro, such as PD-L1, arginase, nitric oxide and CD39. Furthermore, possible compensatory interactions between different inhibitory mechanisms, such as myeloid derived suppressor cells, T regulatory cells, and inhibitory receptors/ligands were observed. Finally, the elimination of two important immune regulatory mechanisms after the depletion of T regulatory cells, and blocking of PD-L1 and Tim3 resulted in an expansion of myeloid derived suppressor cells with appearance of the new CD11bdim population of cells. The newly revealed population was showing strong suppressive activity against CD8+ T cells during acute retroviral infection.
Myeloid derived suppressor cells play an important role in the regulation of the immune response. Thus, the results presented in this thesis show the inhibitory role of myeloid derived suppressor cells in the Friend virus infection and may be a possible target for the immune therapy of retroviral infections
Composite materials made of biodegradable polymers and ceramic nanoparticles for additive manufacturing
No full textDas Ziel dieser Arbeit war die Synthese und Entwicklung eines Polymer-Keramik-Kompositmaterials, welches für additive Fertigungsmethoden zugänglich ist, um als potentielles Knochenersatzmaterial eingesetzt zu werden.
Die Herstellung der verschiedenen Polymer-Keramik-Mikrokomposite erfolgte über zwei verschiedene Syntheserouten. Die erste Syntheseroute verlief über eine Feststoff-in-Öl-in-Wasser-Lösungsmittelverdampfungsmethode, die zweite über eine Feststoff-in-Öl-in-Wasser-Lösungsmitteldiffusionsmethode. Diese verschiedenen Routen waren aufgrund der Löslichkeiten der Polymere in den verwendeten Lösungsmitteln möglich. Die verwendeten Polymere wurden von der Firma Evonik Industries AG zur Verfügung gestellt oder von Sigma-Aldrich bezogen. Dabei handelte es sich um die Polyester PLLA (RESOMER® L207S), PDLLA (RESOMER ® R207S), PLDLLA (RESOMER ® LR704S), PCL (Lakeshore BiomaterialsTM 100 CL 7.5E), PLLCL (RESOMER ® LC703S) und PLLGA (RESOMER ® LG824S). Mit den drei zuerst genannten Polymeren (PLLA, PDLLA und PLDLLA) wurden Mikropartikelpulver mit verschiedenen Massenverhältnissen zwischen Polymer und Keramik erstellt. Der Begriff „Keramik“ bedeutet zu jedem Zeitpunkt dieser Arbeit den Einsatz von nanopartikulärem Hydroxylapatit (nano-HAP, Sigma-Aldrich) und von der Firma Schaefer-Kalk bereitgestelltes nanopartikulärem Calcit (nano-calcit) in gleichem Massenverhältnis. Beschleunigte Degradationsuntersuchungen bestätigten, dass mit dem Einbau der Keramiken der pH-Wert bei einigen Zusammensetzungen im physiologischen Bereich blieb. Außerdem konnte der E-Modul so verbessert werden, dass er im Bereich des menschlichen Knochengewebes lag. Proliferations- und zytotoxische Untersuchungen von MC3T3-Zellen (Osteoblasten) auf Presslingen, die Keramiken enthielten, ergaben eine deutliche Verbesserung gegenüber der Proliferation und zeigten keine zytotoxischen Effekte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zusätzlich PCL-nano-HAP-Kompositpulver mit Zusammensetzungen von 70:30, 50:50 und 100:0 über eine Feststoff-in-Öl-in-Wasser-Lösungsmittelverdampfungsmethode synthetisiert. In diesem Fall wurde jedoch nur nanopartikuläres Hydroxylapatit (nano-HAP) als anorganische Komponente eingesetzt. Die gesinterten Strukturen aus der Zusammensetzung 70:30, die über den SLS-Prozess erstellt wurden, zeigten partielle Versinterungen der Mikrokompositpartikel. Dies zeigt, dass noch weitere Optimierungen hinsichtlich Pulvereigenschaften und SLS-Prozessparameter nötig sind, um einen zufriedenstellenden Grad der Versinterung zu erzielen.The aim of this work was the synthesis and development of a polymer-ceramic-composite material as a potential bone substitution material which can be used for additive manufacturing.
The preparation of the different polymer-ceramic-microcomposites was done by two different synthesis routes. The first one was the solid-in-oil-in-water emulsion solvent evaporation method, and the second one was the solid-in-oil-in-water emulsion solvent diffusion method. The polymers were obtained from Evonik Industries AG or purchased from Sigma-Aldrich. The used polymers were the polyesters PLLA (RESOMER® L207S), PDLLA (RESOMER® R207S), PLDLLA (RESOMER® LR704S), PCL (Lakeshore BiomaterialsTM 100 CL 7.5E; Sigma-Aldrich), PLLCL (RESOMER® LC703S) and PLLGA (RESOMER® LG824S). Accelerated degradation studies of selected sampels confirmed that with the incorporation of the ceramics the pH remained in the physiological range. In addition, the elasticity modulus was increased to the range of human bone tissue. Proliferation and cytotoxic studies of MC3T3 cells (osteoblasts) on cylinder-shaped test specimen containing the ceramics showed a significant improvement in proliferation and gave no cytotoxic effects. In the course of this work, PCL-nano-HAP composite powders with compositions of 70:30, 50:50 and 100:0 were also synthesised by a solid-in-oil-in-water solvent evaporation method. In this case, only hydroxyapatite nanoparticles were used as inorganic component. The investigations of the sintered structures (70:30) produced by the SLS process showed a partial sintering of the composite particles, but further optimization is necessary to achieve a completely satisfactory degree of sintering
Target und Suspect Screening von organischen Spurenschadstoffen und ihren Transformationsprodukten in wässrigen Proben
No full textDas Vorkommen organischer Spurenschadstoffe im Abwasser stellt eine große Herausforderung für die Abwasseraufbereitungsindustrie dar. Die Schadstoffe gelangen nach häuslichem Gebrauch von Hygieneprodukten und Medikamenten in die städtischen Abwassersysteme und zu den kommunalen Kläranlagen. Da eine Vielzahl dieser Schadstoffe nicht durch traditionelle Abwasseraufbereitung abgebaut oder entfernt werden können, gelangen die Schadstoffe nach dem Passieren der Kläranlagen in die Umwelt.
Eine effektive Methode für den Abbau dieser Spurenschadstoffe ist die chemische Oxidation durch Ozon. Untersuchungen von Laboranlagen bis hin zu Pilotanlagen haben die Effizienz des Schadstoffabbaus durch Verwendung von Ozon in der Abwasserbehandlung und der Trinkwasseraufbereitung gezeigt. Dennoch bringt die Ozonbehandlung wesentliche Nachteile mit sich. Eine Vielzahl der Schadstoffe wird nicht vollständig mineralisiert, sondern nur teilweise abgebaut. Diese sogenannten Transformationsprodukte (TP) stellen ein bis heute ungeklärtes Risiko für den Menschen und die Umwelt dar. Nur wenig ist bekannt über das Vorkommen und Entstehen, die Toxizität und die Bioakkumulation dieser TPs.
In Anbetracht der geringen Konzentrationen der Spurenschadstoffe, erfordert die Analyse der Umwelteinflüsse eine effiziente Anreicherungsmethode, die in der Lage ist, ein großes Spektrum an TPs aus verschiedenen Matrizes zu binden. Hierbei stellt die Festphasenextraktion eine der am häufigsten verwendeten Extraktionstechniken im Bereich der Umweltanalyse dar.
Im ersten Schritt dieser Forschungsarbeit wurden verschiedene handelsübliche SPE Materialien aus drei verschiedenen Klassen getestet: reversed‐phase, mixed‐mode anion exchanger und mixed‐mode cation exchanger. Acht Hauptverbindungen mit verschiedenen physikochemischen Eigenschaften und 17 nach Ozonbehandlung entstandene TPs wurden für die Evaluation der Anreicherungseffizienz verwendet. Im weiteren Verlauf der Untersuchung wurden die pH-Werte und die Wasch- und Elutionsmittel variiert um eine optimierte Anreicherung zu erhalten. Wiederfindungsraten von ≥ 91% wurde unter Verwendung einer Kombination aus im Tandem verwendeten mixed-mode strong anion und cation exchanger Materialien ohne pH-Wert Einstellung erreicht.
Die Analyse der mit Hilfe der optimierten SPE Methode angereicherten Hauptkomponenten und TPs erfolgte über eine eigens entwickelte Flüssig Chromatographie Tandem Massen Spektrometer (LC-MS/MS) Methode. Die Validierung der Methode erfolgte über die Bestimmung der Hauptkomponenten und TPs aus realen Wasserproben mit verschiedenen Matrizes. Wiederfindungsraten lagen bei 90 bis 110%, die Linearität lag bei R2 > 0.99 und die Nachweisgrenzen der Methoden lagen im Subnanogramm-Bereich pro Liter. Matrixeffekte konnte in keiner der extrahiert und analysierten Realproben beobachtet werden.
Im zweiten Teil der Studien wurde ein sogenanntes suspect screening durchgeführt. Hierbei wurden die Wasserproben auf das Vorkommen einer Vielzahl von literaturbekannten organischen Substanzen und der korrespondierenden Nebenprodukte nach Ozonierung analysiert. Das suspect screening führte zu 245 potenzielle Kandidaten, welche bereits aus Laborversuchen und wissenschaftlichen Arbeiten bekannt sind. Die Auswahl der potenziellen Kandidaten erfolgte ohne Verwendung von Referenzstandards, daher wurde entschieden, im weiterem Verlauf der Studie die Analysemethode für die Verifizierung der Ergebnisse zu optimieren. Die Optimierung basierte auf der Verwendung eines LC-Q-TOF-MS Systems und basierte auf der Bestimmung der exakten Massen der mit optimierter SPE angereicherten Analyten. Das verwendete LC-Q-TOF-MS System ermöglichte neben dem Nachweis einer hohen Effizienz der Anreicherungsmethode auch die quantitative Analyse zahlreicher Abbauprodukte. Die relativen Konzentrationen der Ursprungssubstanzen und deren potenziellen Nebenprodukte zu verschiedenen Zeitpunkten der Abwasseraufbereitung konnte aus den detektierten Peakflächen abgeleitet werden. Die Massengenauigkeit der verifizierten Suspects lag bei 1000 counts. Als zusätzliche Absicherung wurden die Ergebnisse einer Plausibilitätsprüfung unterzogen, bei der die experimentell erhaltenen Retentionszeiten mit literaturbekannten Werten verglichen wurden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass die untersuchte Kläranlage in der Lage war, mit Hilfe der fortschrittlichen Behandlung durch Ozon eine Vielzahl der organischen Spurenschadstoffe vollständig oder partiell abzubauen.
Zukünftig Studien werden mithilfe der entwickelten SPE Methode das Vorkommen, die Akkumulation und die Ökotoxizität diverser Substanzklassen und derer Transformationsprodukte in der aquatischen Umwelt verifizieren können. Die weitere Identifikation und Bestätigung von suspect screening Daten durch Verwendung der SPE Methode wird hierbei hilfreich sein.The presence of organic micropollutants in wastewater imposes a problem to the water treatment industry. Such persistent compounds enter the sewer system after domestic or medical use, and are inefficiently removed by traditional wastewater treatment technologies and subsequently discharged into the aquatic environment.
Chemical oxidation using ozone has been proven as an effective treatment process for a wide spectrum of micropollutants during bench-, pilot- and full-scale experiments in both wastewater and drinking water. However, a major disadvantage of ozonation is the formation of transformation products (TPs) instead of a full mineralization of parent compounds. Although there is still an overall lack of information regarding their toxicity, bioaccumulation, or occurrence, many of these compounds are suspected to have potential effects on humans and other species.
A proper sample preparation method is required to enrich a wide range of micropollutants from water samples for a subsequent use in chemical analysis as well as toxicological evaluation. Solid phase extraction (SPE) has become the most common sample preparation technique in environmental analysis.
In the first stage of research, the performance of several commercial SPE materials belonging to three different groups: reversed‐phase, mixed‐mode anion exchanger and mixed‐mode cation exchanger, was evaluated. Eight parent compounds and seventeen ozonated TPs with different physicochemical properties were extracted from pure water samples. Different pH values, washing and elution solvents were tested to optimize the procedure. Recoveries ≥ 91% were obtained by combining mixed‐mode strong anion and cation exchangers in tandem without pH adjustment.
A liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method was developed to analyze the compounds of interest using the optimized SPE procedure. Full validation followed by trace determination of target compounds in different water matrices was performed. Consequently, recoveries between 90 and 110%, Linearity (> 0.99), method quantification limits (MQL’s) at low ng/L-range and low matrix effect (ME) were achieved.
In the second stage of the study, suspect screening approach was used to examine the presence of structurally diverse organic compounds and their ozonated TPs in environmental water samples without reference standards. The suspect list was assembled after an extensive search to include 245 candidates reported form laboratory experiments in literature. The analytical procedure was therefore optimized by combining liquid chromatography-quadrupole-time-of-flight-mass spectrometry (LC-Q-TOF-MS) based on the use of accurate mass with the optimized SPE method exhibiting broad enrichment efficiency. The relative concentration levels of the suspects were determined and compared according to their peak areas in several advanced wastewater samples at different treatment levels and the final receiving water. Mass accuracy 1000 counts were obtained for all detected suspects. In addition, a plausible matching was shown between the retention times of TPs relative to parent compounds and the available values from literatures. The results showed that the studied wastewater treatment plant was efficient to degrade partially or completely organic micropollutants and the formed TPs after advanced treatment.
The future focus will be to study the occurrence and toxicological relevance of various compound classes and TPs in different aquatic environments using the improved SPE procedure. Additionally, further confirmation of suspect screening data will be beneficial
The effect of high linear energy transfer ionizing radiation on mutation and reversion events at the hypoxanthin-guanin-phosphoribosyltransferase locus
No full textDouble strand breaks (DSBs) are the most severe form of DNA lesions that are repaired in higher eukaryotes by DNA PK-dependent non-homologous end-joining (DNHEJ), homologous recombination repair (HRR) or alternative non-homologous endjoining
(alt-EJ). From all DSB repair pathways, only HRR has a build-in mechanism to completely restore the DNA sequence around the breaks, while D-NHEJ is frequently associated with errors. Alt-EJ is commonly associated with chromosomal translocations, large deletions and in general genomic instability. However, it is still not
known how increasing DSB complexity affects DSB repair pathway choice. To address this question, two different approaches were introduced in the present thesis.
In the first approach we studied reversion in the Chinese hamster hprt mutants, SPD8 and SP5. Using this biological model system, we could study the role of DSB complexity in reversion induction and the contribution of DSB repair pathways to the correction events induced. It is particularly useful that reversion in the SPD8 and SP5 mutant require homologous and non-homologous recombination, respectively.
Reversion results generated after exposure of SPD8 and SP5 cells to low and highlinear energy transfer (LET) ionizing radiation showed only limited induction of reversions that was difficult to interpret as deriving from DSBs of different complexity.
Therefore, we specifically induced DSBs within the hprt gene by applying the RNA guided nuclease technique (CRISPR/Cas9). Our results revealed that a single DSB generated directly in the exon flanking intron region of the mutated region in SPD8 and
SP5 cell lines efficiently triggers reversion, while DSBs in the surrounding region triggers reversion markedly less efficiently.
Furthermore we could document that DSB clusters impair the correction mechanisms in SPD8 and SP5 cell lines. DSB clusters are apparently more difficult to handle and compromise repair events supporting reversion. The DSB repair pathway analysis
carried out using specific inhibitors revealed distinct repair pathway contributions in the SPD8 and SP5 mutants. D-NHEJ and partially HRR facilitated the homologous recombination events supporting reversion in SPD8 cells, whereas D-NHEJ interfered with the process of non-homologous recombination in SP5 cells. Thus, we could
demonstrate that D-NHEJ is not always error prone.
In the second approach we have adapted the forward mutation assay in the Chinese hamster V79 cells and examined the contribution of single DSBs as well as of DSB clusters, and or DSB repair pathways to mutagenesis. We found that the induction of a DSB within intron or intron/exon junctions, and even more pronouncedly in exon
regions, enhance mutagenesis, confirming that DSBs is a severe DNA lesion. Increase in DSB complexity in the form of DSB clusters, further increase mutation induction particularly when the DSB cluster removes an entire exon or several exons. They generate less severe effects when generated in introns or intron/exon junctions. The
DSB repair pathway investigation revealed a protective role for D-NHEJ at complex DSBs. In contrast alt-EJ contributed predominantly to DSB related mutagenesis at single DSBs.
The exact mechanisms as to how repair pathways coordinate their activities and contribute to genome stability could not be explained conclusively by our experiments.
The further elucidation of this highly important aspect of genomic stability will be the focus of future studies in the Institute of Medical Radiation Biology