Improvements in the Assessment of Bacterial Viability and Killing

It is axiomatic that our planet is extensively inhabited by diverse micro-organisms such as bacteria, yet the absolute diversity of different bacterial species is widely held to be unknown. Different bacteria can be found from the depths of the oceans to the top of the mountains; even the air is more or less colonized by bacteria. Most bacteria are either harmless or even advantageous to human beings but there are also bacteria, which can cause severe infectious diseases or spoil the supplies intended for human consumption. Therefore, it is vitally important not only to be able to detect and enumerate bacteria but also to assess their viability and possible harmfulness. Whilst the growth of bacteria is remarkably fast under optimum conditions and easy to detect by cultural methods, most bacteria are believed to lie in stationary phase of growth in which the actual growth is ceased and thus bacteria may simply be undetectable by cultural techniques. Additionally, several injurious factors such as low and high temperature or deficiency of nutrients can turn bacteria into a viable but non-culturable state (VBNC) that cannot be detected by cultural methods. Thereby, various noncultural techniques developed for the assessment of bacterial viability and killing have widely been exploited in modern microbiology. However, only a few methods are suitable for kinetic measurements, which enable the real-time detection of bacterial growth and viability. The present study describes alternative methods for measuring bacterial viability and killing as well as detecting the effects of various antimicrobial agents on bacteria on a real-time basis. The suitability of bacterial (lux) and beetle (luc) luciferases as well as green fluorescent protein (GFP) to act as a marker of bacterial viability and cell growth was tested. In particular, a multiparameter microplate assay based on GFP-luciferase combination as well as a flow cytometric measurement based on GFP-PI combination were developed to perform divergent viability analyses. The results obtained suggest that the antimicrobial activities of various drugs against bacteria could be successfully measured using both of these methods. Specifically, the data reliability of flow cytometric viability analysis was notably improved as GFP was utilized in the assay. A fluoro-luminometric microplate assay enabled kinetic measurements, which significantly improved and accelerated the assessment of bacterial viability compared to more conventional viability assays such as plate counting. Moreover, the multiparameter assay made simultaneous detection of GFP fluorescence and luciferase bioluminescence possible and provided extensive information about multiple cellular parameters in single assay, thereby increasing the accuracy of the assessment of the kinetics of antimicrobial activities on target bacteria.

Mathematics inspired by Darwin. Adaptive dynamics of dispersal and cooperation

In 1859, Charles Darwin published his theory of evolution by natural selection, the process occurring based on fitness benefits and fitness costs at the individual level. Traditionally, evolution has been investigated by biologists, but it has induced mathematical approaches, too. For example, adaptive dynamics has proven to be a very applicable framework to the purpose. Its core concept is the invasion fitness, the sign of which tells whether a mutant phenotype can invade the prevalent phenotype. In this thesis, four real-world applications on evolutionary questions are provided. Inspiration for the first two studies arose from a cold-adapted species, American pika. First, it is studied how the global climate change may affect the evolution of dispersal and viability of pika metapopulations. Based on the results gained here, it is shown that the evolution of dispersal can result in extinction and indeed, evolution of dispersalshould be incorporated into the viability analysis of species living in fragmented habitats. The second study is focused on the evolution of densitydependent dispersal in metapopulations with small habitat patches. It resulted a very surprising unintuitive evolutionary phenomenon, how a non-monotone density-dependent dispersal may evolve. Cooperation is surprisingly common in many levels of life, despite of its obvious vulnerability to selfish cheating. This motivated two applications. First, it is shown that density-dependent cooperative investment can evolve to have a qualitatively different, monotone or non-monotone, form depending on modelling details. The last study investigates the evolution of investing into two public-goods resources. The results suggest one general path by which labour division can arise via evolutionary branching. In addition to applications, two novel methodological derivations of fitness measures in structured metapopulations are given.

Kaukolämpöjohdon lämpöhäviöiden talteenotto lämpöpumpputeknologian avulla

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli laatia tarkastelumalli, jonka perusteella pystyttäisiin analysoimaan tutkimuksessa tarkasteltavan kaukolämpöjohdon lämpöhäviöiden talteenot-toratkaisun taloudellista kannattavuutta yleisellä tasolla sekä sen mahdollisissa sovellus-kohteissa. Työssä tarkastellaan kaukolämpöjohtoa, jonka sisään on sijoitettu lämmönke-ruuputki. Lämmönkeruuputken on tarkoitus kerätä lämpöä kaukolämpöjohdon vaipasta sekä pitää vaipan lämpötilaa ympäristön lämpötilaa matalampana, jolloin johdon ulkopuo-lisia lämpöhäviöitä ei synny. Tarkastelumalli laadittiin perustuen lämpöpumppuprosessin ja kaukolämpöverkoston yleisiin mitoitusperiaatteisiin sekä ratkaisuun liittyvien järjestelmien osalta kerättyihin tarkas-teluhetkeä edustaviin kustannustietoihin. Tarkastelumallista laadittiin Excel-laskentataulukkona, jota voidaan tulevaisuudessa soveltaa järjestelmän sovelluskohdekoh-taiseen tarkasteluun sekä mitoitukseen. Lasketut takaisinmaksuajat osoittautuivat kaikissa tarkastelluissa tapauksissa järjestelmien arvioitua teknistä käyttöikää lyhyemmäksi. Järjestelmällä voisi olla tietynlaisissa sovellus-kohteissa myös strateginen, kaukolämpöliiketoiminnan riskejä vähentävä merkitys.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

Genes outside The Hla Region affecting Susceptibility to Type 1 Diabetes - The Role of Iddm2 and Iddm9 in the Finnish Population

Tyypin 1 diabeteksen perinnöllinen alttius Suomessa - HLA-alueen ulkopuolisten alttiuslokusten IDDM2 ja IDDM9 rooli taudin periytymisessä HLA-alue, joka sijaitsee kromosomissa 6p21.3, vastaa noin puolesta perinnöllisestä alttiudesta sairastua tyypin 1 diabetekseen. Myös HLA-alueen ulkopuolisten lokusten on todettu liittyvän sairausalttiuteen. Näistä kolmen lokuksen on varmistettu olevan todellisia alttiuslokuksia ja lisäksi useiden muiden, vielä varmistamattomien lokusten, on todettu liittyvän sairausalttiuteen. Tässä tutkimuksessa 12:n HLA-alueen ulkopuolisen alttiuslokuksen kytkentä tyypin 1 diabetekseen tutkittiin käyttäen 107:aa suomalaista multiplex-perhettä. Jatkotutkimuksessa analysoitiin IDDM9-alueen kytkentä ja assosiaatio sairauteen laajennetuissa perhemateriaaleissa sekä IDDM2-alueen mahdollinen interaktio HLA-alueen kanssa sairauden muodostumisessa. Lisäksi suoritettiin IDDM2-alueen suojaavien haplotyyppien alatyypitys tarkoituksena tutkia eri haplotyyppien käyttökelpoisuutta sairastumisriskin tarkempaa ennustamista varten. Ensimmäisessä kytkentätutkimuksessa ei löytynyt koko genomin tasolla merkitsevää tai viitteellistä kytkentää tutkituista HLA-alueen ulkopuolisista lokuksista. Voimakkain havaittu nimellisen merkitsevyyden tavoittava kytkentä nähtiin IDDM9-alueen markkerilla D3S3576 (MLS=1.05). Tutkimuksessa ei kyetty varmistamaan tai sulkemaan pois aiempia kytkentähavaintoja tutkituilla lokuksilla, mutta IDDM9-alueen jatkotutkimuksessa havaittu voimakas kytkentä (MLS=3.4) ja merkitsevä assosiaatio (TDT p=0.0002) viittaa vahvasti siihen, että 3q21-alueella sijaitsee todellinen tyypin 1 diabeteksen alttiusgeeni, jolloin alueen kattava assosiaatiotutkimus olisi perusteltu jatkotoimenpide. Sairauteen altistava IDDM2-alueen MspI-2221 genotyyppi CC oli nimellisesti yleisempi matalan tai kohtalaisen HLA-sairastumisriskin diabeetikoilla, verrattuna korkean HLA-riskin potilaisiin (p=0.05). Myös genotyyppijakauman vertailu osoitti merkitsevää eroa ryhmien välillä (p=0.01). VNTR-haplotyyppitutkimus osoitti, että IIIA/IIIA-homotsygootin sairaudelta suojaava vaikutus on merkitsevästi voimakkaampi kuin muiden luokka III:n genotyypeillä. Nämä tulokset viittaavat IDDM2-HLA -vuorovaikutukseen sekä siihen että IDDM2-alueen haplotyyppien välillä esiintyy etiologista heterogeniaa. Tämän johdosta IDDM2-alueen haplotyyppien tarkempi määrittäminen voisi tehostaa tyypin 1 diabeteksen riskiarviointia.