A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Transport properties of one-dimensional, disordered two-band systems

We have studied the transport properties of disordered one-dimensional two-band systems. The model includes a narrow d band hybridised with an s band. The Landauer formula was used in the case of a very narrow d band or in the case of short chains. The results were compared with the localisation length of the wavefunctions calculated by the transfer matrix method, which allows the use of very lang chains, and an excellent agreement was obtained.

Involvements of the Plant 3'-5' Exonuclease ERL1 in Chloroplast Ribosomal RNA Biogenesis and RNA Silencing Pathways

ERI-1 und ihm homologe Proteine sind 3‘-5‘ Exoribonukleasen mit konservierten Funktionen in der Regulation von RNA Silencing sowie der Prozessierung ribosomaler RNA. Caenorhabditis elegans ERI-1 (Enhanced RNAi 1) enthält eine konservierte ERI-1_3’hExo_like EXOIII-Domäne, die siRNAs in vitro bindet und degradiert, und deren Inaktivierung eine RNAi-Hypersensitivität zur Folge hat. ERI-1 ist phylogenetisch konserviert, und homologe Proteine wurden Reiche-übergreifend in einer Vielzahl von Modellorganismen identifiziert. RNA-Silencing-reprimierende Eigenschaften dieser Proteine wurden in einigen Fällen charakterisiert. Zusätzlich wurde für eine Untergruppe ERI-1-homologer Proteine eine Funktion in der Biogenese der 5.8S ribosomalen RNA aufgezeigt: Katalyse des letzten Prozessierungsschritts während der Reifung des 5.8S rRNA 3‘-Endes. Diese Doppelfunktion ERI-1-homologer Proteine schlägt eine interessante Brücke zwischen evolutionär weit entfernten auf nicht-codierender RNA basierenden Mechanismen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, die Charakteristika des pflanzlichen ERI-1-Homologs ERL1 in verschiedenen regulatorischen Zusammenhängen zum Gegenstand haben. ERL1 lokalisiert in Chloroplasten und zeigt keinerlei messbare Aktivität in Bezug auf die Regulierung von RNA Silencing. Im Gegensatz dazu konnte gezeigt werden, dass ERL1 eine wichtige Rolle während der Reifung der chloroplastischen 5S rRNA spielt. ERL1-supprimierende bzw. -überexprimierende transgene Pflanzen, zeigen unterschiedliche phänotypische Aberrationen. Diese beinhalten vielfarbige Blätter, reduziertes Wachstum und Fruchtbarkeit, sowie den Verlust Photosynthese-kompetenter Chloroplasten in gebleichten Sektoren. Diese Defekte werden dadurch verursacht, dass die Plastid-Entwicklung in einem frühen Stadium blockiert wird. Dies führt zu defekten Plastiden, die keine kanonischen internen Strukturen, einschließlich Grana, bilden können. Die gestörte Plastid-Entwicklung ist ein Resultat fehlerhafter Prozessierung ribosomaler RNAs und dem daraus folgenden Verlust plastidärer Transkription und Translation. Wenn ERL1 runterreguliert oder überexprimiert ist, akkumulieren 3‘-elongierte 5S rRNA-Moleküle, was Störungen in der Produktion der Ribosomen hervorruft. Die Reifung der 5S rRNA ist leit langem als Prozess bekannt, der viele aufeinander folgende endonukleolytische Spaltungen sowie exonukleolytische Rezessionen beinhaltet. Bis dato war die Gesamtheit der Exonukleasen während dieser Reifung jedoch nur lückenhaft bekannt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ERL1 eine wichtige Rolle in der Plastid-Entwicklung spielt, indem ERL1 den finalen Reifungsschritt des 5S rRNA 3‘-Endes katalysiert.

Status and Potential of Smallholder Livestock Production Systems in Xishuangbanna, southern P.R. China

With Chinas rapid economic development during the last decades, the national demand for livestock products has quadrupled within the last 20 years. Most of that increase in demand has been answered by subsidized industrialized production systems, while million of smallholders, which still provide the larger share of livestock products in the country, have been neglected. Fostering those systems would help China to lower its strong urban migration streams, enhance the livelihood of poorer rural population and provide environmentally save livestock products which have a good chance to satisfy customers demand for ecological food. Despite their importance, China’s smallholder livestock keepers have not yet gained appropriate attention from governmental authorities and researchers. However, profound analysis of those systems is required so that adequate support can lead to a better resource utilization and productivity in the sector. To this aim, this pilot study analyzes smallholder livestock production systems in Xishuangbanna, located in southern China. The area is bordered by Lao and Myanmar and geographically counts as tropical region. Its climate is characterized by dry and temperate winters and hot summers with monsoon rains from May to October. While the regionis plain, at about 500 m asl above sea level in the south, outliers of the Himalaya mountains reach out into the north of Xishuangbanna, where the highest peak reaches 2400 m asl. Except of one larger city, Jinghong, Xishuangbanna mainly is covered by tropical rainforest, areas under agricultural cultivation and villages. The major income is generated through inner-Chinese tourism and agricultural production. Intensive rubber plantations are distinctive for the lowland plains while small-scaled traditional farms are scattered in the mountane regions. In order to determine the current state and possible future chances of smallholder livestock production in that region, this study analyzed the current status of the smallholder livestock sector in the Naban River National Nature Reserve (NRNNR), an area which is largely representative for the whole prefecture. It covers an area of about 50square kilometer and reaches from 470 up to 2400 m asl. About 5500 habitants of different ethnic origin are situated in 24 villages. All data have been collected between October 2007 and May 2010. Three major objectives have been addressed in the study: 1. Classifying existing pig production systems and exploring respective pathways for development 2. Quantifying the performance of pig breeding systemsto identify bottlenecks for production 3. Analyzing past and current buffalo utilization to determine the chances and opportunities of buffalo keeping in the future In order to classify the different pig production s ystems, a baseline survey (n=204, stratified cluster sampling) was carried out to gain data about livestock species, numbers, management practices, cultivated plant species and field sizes as well associo-economic characteristics. Sampling included two clusters at village level (altitude, ethnic affiliation), resulting in 13 clusters of which 13-17 farms were interviewed respectively. Categorical Principal Component Analysis (CatPCA) and a two-step clustering algorithm have been applied to identify determining farm characteristics and assort recorded households into classes of livestock production types. The variables keep_sow_yes/no, TLU_pig, TLU_buffalo, size_of_corn_fields, altitude_class, size_of_tea_plantationand size_of_rubber_fieldhave been found to be major determinants for the characterization of the recorded farms. All farms have extensive or semi-intensive livestock production, pigs and buffaloes are predominant livestock species while chicken and aquaculture are available but play subordinate roles for livelihoods. All pig raisers rely on a single local breed, which is known as Small Ear Pig (SMEP) in the region. Three major production systemshave been identified: Livestock-corn based LB; 41%), rubber based (RB; 39%) and pig based (PB;20%) systems. RB farms earn high income from rubber and fatten 1.9 ±1.80 pigs per household (HH), often using purchased pig feed at markets. PB farms own similar sized rubber plantations and raise 4.7 ±2.77 pigs per HH, with fodder mainly being cultivated and collected in theforest. LB farms grow corn, rice and tea and keep 4.6 ±3.32 pigs per HH, also fed with collected and cultivated fodder. Only 29% of all pigs were marketed (LB: 20%; RB: 42%; PB: 25%), average annual mortality was 4.0 ±4.52 pigs per farm (LB: 4.6 ±3.68; RB: 1.9 ±2.14; PB: 7.1 ±10.82). Pig feed mainly consists of banana pseudo stem, corn and rice hives and is prepared in batches about two to three times per week. Such fodder might be sufficient in energy content but lacks appropriate content of protein. Pigs therefore suffer from malnutrition, which becomes most critical in the time before harvest season around October. Farmers reported high occurrences of gastrointestinal parasites in carcasses and often pig stables were wet and filled with manure. Deficits in nutritional and hygienic management are major limits for development and should be the first issues addressed to improve productivity. SME pork was found to be known and referred by local customers in town and by richer lowland farmers. However, high prices and lacking availability of SME pork at local wet-markets were the reasons which limited purchase. If major management constraints are overcome, pig breeders (PB and LB farms) could increase the share of marketed pigs for town markets and provide fatteners to richer RB farmers. RB farmers are interested in fattening pigs for home consumption but do not show any motivation for commercial pig raising. To determine the productivity of input factors in pig production, eproductive performance, feed quality and quantity as well as weight development of pigs under current management were recorded. The data collection included a progeny history survey covering 184 sows and 437 farrows, bi-weekly weighing of 114 pigs during a 16-months time-span on 21 farms (10 LB and 11 PB) as well as the daily recording of feed quality and quantity given to a defined number of pigs on the same 21 farms. Feed samples of all recorded ingredients were analyzed for their respective nutrient content. Since no literature values on thedigestibility of banana pseudo stem – which is a major ingredient of traditional pig feed in NRNNR – were found, a cross-sectional digestibility trial with 2x4 pigs has been conducted on a station in the research area. With the aid of PRY Herd Life Model, all data have been utilized to determine thesystems’ current (Status Quo = SQ) output and the productivity of the input factor “feed” in terms of saleable life weight per kg DM feed intake and monetary value of output per kg DM feed intake.Two improvement scenarios were simulated, assuming 1) that farmers adopt a culling managementthat generates the highest output per unit input (Scenario 1; SC I) and 2) that through improved feeding, selected parameters of reproduction are improved by 30% (SC II). Daily weight gain averaged 55 ± 56 g per day between day 200 and 600. The average feed energy content of traditional feed mix was 14.92 MJ ME. Age at first farrowing averaged 14.5 ± 4.34 months, subsequent inter-farrowing interval was 11.4 ± 2.73 months. Littersize was 5.8 piglets and weaning age was 4.3 ± 0.99 months. 18% of piglets died before weaning. Simulating pig production at actualstatus, it has been show that monetary returns on inputs (ROI) is negative (1:0.67), but improved (1:1.2) when culling management was optimized so that highest output is gained per unit feed input. If in addition better feeding, controlled mating and better resale prices at fixed dates were simulated, ROI further increased to 1:2.45, 1:2.69, 1:2.7 and 1:3.15 for four respective grower groups. Those findings show the potential of pork production, if basic measures of improvement are applied. Futureexploration of the environment, including climate, market-season and culture is required before implementing the recommended measures to ensure a sustainable development of a more effective and resource conserving pork production in the future. The two studies have shown that the production of local SME pigs plays an important role in traditional farms in NRNNR but basic constraints are limiting their productivity. However, relatively easy approaches are sufficient for reaching a notable improvement. Also there is a demand for more SME pork on local markets and, if basic constraints have been overcome, pig farmers could turn into more commercial producers and provide pork to local markets. By that, environmentally safe meat can be offered to sensitive consumers while farmers increase their income and lower the risk of external shocks through a more diverse income generating strategy. Buffaloes have been found to be the second important livestock species on NRNNR farms. While they have been a core resource of mixed smallholderfarms in the past, the expansion of rubber tree plantations and agricultural mechanization are reasons for decreased swamp buffalo numbers today. The third study seeks to predict future utilization of buffaloes on different farm types in NRNNR by analyzing the dynamics of its buffalo population and land use changes over time and calculating labor which is required for keeping buffaloes in view of the traction power which can be utilized for field preparation. The use of buffaloes for field work and the recent development of the egional buffalo population were analyzed through interviews with 184 farmers in 2007/2008 and discussions with 62 buffalo keepers in 2009. While pig based farms (PB; n=37) have abandoned buffalo keeping, 11% of the rubber based farms (RB; n=71) and 100% of the livestock-corn based farms (LB; n=76) kept buffaloes in 2008. Herd size was 2.5 ±1.80 (n=84) buffaloes in early 2008 and 2.2 ±1.69 (n=62) in 2009. Field work on own land was the main reason forkeeping buffaloes (87.3%), but lending work buffaloes to neighbors (79.0%) was also important. Other purposes were transport of goods (16.1%), buffalo trade (11.3%) and meat consumption(6.4%). Buffalo care required 6.2 ±3.00 working hours daily, while annual working time of abuffalo was 294 ±216.6 hours. The area ploughed with buffaloes remained constant during the past 10 years despite an expansion of land cropped per farm. Further rapid replacement of buffaloes by tractors is expected in the near future. While the work economy is drastically improved by the use of tractors, buffaloes still can provide cheap work force and serve as buffer for economic shocks on poorer farms. Especially poor farms, which lack alternative assets that could quickly be liquidizedin times of urgent need for cash, should not abandon buffalo keeping. Livestock has been found to be a major part of small mixed farms in NRNNR. The general productivity was low in both analyzed species, buffaloes and pigs. Productivity of pigs can be improved through basic adjustments in feeding, reproductive and hygienic management, and with external support pig production could further be commercialized to provide pork and weaners to local markets and fattening farms. Buffalo production is relatively time intensive, and only will be of importance in the future to very poor farms and such farms that cultivate very small terraces on steep slopes. These should be encouraged to further keep buffaloes. With such measures, livestock production in NRNNR has good chances to stay competitive in the future.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.