The swelling behaviour of polyelectrolyte networks

Being basic ingredients of numerous daily-life products with significant industrial importance as well as basic building blocks for biomaterials, charged hydrogels continue to pose a series of unanswered challenges for scientists even after decades of practical applications and intensive research efforts. Despite a rather simple internal structure it is mainly the unique combination of short- and long-range forces which render scientific investigations of their characteristic properties to be quite difficult. Hence early on computer simulations were used to link analytical theory and empirical experiments, bridging the gap between the simplifying assumptions of the models and the complexity of real world measurements. Due to the immense numerical effort, even for high performance supercomputers, system sizes and time scales were rather restricted until recently, whereas it only now has become possible to also simulate a network of charged macromolecules. This is the topic of the presented thesis which investigates one of the fundamental and at the same time highly fascinating phenomenon of polymer research: The swelling behaviour of polyelectrolyte networks. For this an extensible simulation package for the research on soft matter systems, ESPResSo for short, was created which puts a particular emphasis on mesoscopic bead-spring-models of complex systems. Highly efficient algorithms and a consistent parallelization reduced the necessary computation time for solving equations of motion even in case of long-ranged electrostatics and large number of particles, allowing to tackle even expensive calculations and applications. Nevertheless, the program has a modular and simple structure, enabling a continuous process of adding new potentials, interactions, degrees of freedom, ensembles, and integrators, while staying easily accessible for newcomers due to a Tcl-script steering level controlling the C-implemented simulation core. Numerous analysis routines provide means to investigate system properties and observables on-the-fly. Even though analytical theories agreed on the modeling of networks in the past years, our numerical MD-simulations show that even in case of simple model systems fundamental theoretical assumptions no longer apply except for a small parameter regime, prohibiting correct predictions of observables. Applying a "microscopic" analysis of the isolated contributions of individual system components, one of the particular strengths of computer simulations, it was then possible to describe the behaviour of charged polymer networks at swelling equilibrium in good solvent and close to the Theta-point by introducing appropriate model modifications. This became possible by enhancing known simple scaling arguments with components deemed crucial in our detailed study, through which a generalized model could be constructed. Herewith an agreement of the final system volume of swollen polyelectrolyte gels with results of computer simulations could be shown successfully over the entire investigated range of parameters, for different network sizes, charge fractions, and interaction strengths. In addition, the "cell under tension" was presented as a self-regulating approach for predicting the amount of swelling based on the used system parameters only. Without the need for measured observables as input, minimizing the free energy alone already allows to determine the the equilibrium behaviour. In poor solvent the shape of the network chains changes considerably, as now their hydrophobicity counteracts the repulsion of like-wise charged monomers and pursues collapsing the polyelectrolytes. Depending on the chosen parameters a fragile balance emerges, giving rise to fascinating geometrical structures such as the so-called pear-necklaces. This behaviour, known from single chain polyelectrolytes under similar environmental conditions and also theoretically predicted, could be detected for the first time for networks as well. An analysis of the total structure factors confirmed first evidences for the existence of such structures found in experimental results.

Molecular phylogeography of the Woodland Ringlet (Erebia medusa [Denis and Schiffermüller] 1775) in Europe

Phylogeography is a recent field of biological research that links phylogenetics to biogeography through deciphering the imprint that evolutionary history has left on the genetic structure of extant populations. During the cold phases of the successive ice ages, which drastically shaped species’ distributions since the Pliocene, populations of numerous species were isolated in refugia where many of them evolved into different genetic lineages. My dissertation deals with the phylogeography of the Woodland Ringlet (Erebia medusa [Denis and Schiffermüller] 1775) in Central and Eastern Europe. This Palaearctic butterfly species is currently distributed from central France and south eastern Belgium over large parts of Central Europe and southern Siberia to the Pacific. It is absent from those parts of Europe with mediterranean, oceanic and boreal climates. It was supposed to be a Siberian faunal element with a rather homogeneous population structure in Central Europe due to its postglacial expansion out of a single eastern refugium. An already existing evolutionary scenario for the Woodland Ringlet in Central and Eastern Europe is based on nuclear data (allozymes). To know if this is corroborated by organelle evolutionary history, I sequenced two mitochondrial markers (part of the cytochrome oxydase subunit one and the control region) for populations sampled over the same area. Phylogeography largely relies on the construction of networks of uniparentally inherited haplotypes that are compared to geographic haplotype distribution thanks to recent developed methods such as nested clade phylogeographic analysis (NCPA). Several ring-shaped ambiguities (loops) emerged from both haplotype networks in E. medusa. They can be attributed to recombination and homoplasy. Such loops usually avert the straightforward extraction of the phylogeographic signal contained in a gene tree. I developed several new approaches to extract phylogeographic information in the presence of loops, considering either homoplasy or recombination. This allowed me to deduce a consistent evolutionary history for the species from the mitochondrial data and also adds plausibility for the occurrence of recombination in E. medusa mitochondria. Despite the fact that the control region is assumed to have a lack of resolving power in other species, I found a considerable genetic variation of this marker in E. medusa which makes it a useful tool for phylogeographic studies. In combination with the allozyme data, the mitochondrial genome supports the following phylogeographic scenario for E. medusa in Europe: (i) a first vicariance, due to the onset of the Würm glaciation, led to the formation of several major lineages, and is mirrored in the NCPA by restricted gene flow, (ii) later on further vicariances led to the formation of two sub-lineages in the Western lineage and two sub-lineages in the Eastern lineage during the Last Glacial Maximum or Older Dryas; additionally the NCPA supports a restriction of gene flow with isolation by distance, (iii) finally, vicariance resulted in two secondary sub-lineages in the area of Germany and, maybe, to two other secondary sub-lineages in the Czech Republic. The last postglacial warming was accompanied by strong range expansions in most of the genetic lineages. The scenario expected for a presumably Siberian faunal element such as E. medusa is a continuous loss of genetic diversity during postglacial westward expansion. Hence, the pattern found in this thesis contradicts a typical Siberian origin of E. medusa. In contrast, it corroboratess the importance of multiple extra-Mediterranean refugia for European fauna as it was recently assumed for other continental species.

Konditionale Mutagenese von Desmoglein 2 in der Maus

Desmosomen sind hoch organisierte interzelluläre Verbindungen, die Zellverbänden eine mechanische Stabilität verleihen. Die Intermediärfilamentnetzwerke benachbarter Zellen werden mit Hilfe der desmosomalen Cadherine vom Desmoglein- und Desmocollin-Typ miteinander verknüpft. Diese Glykoproteine interagieren miteinander im Interzellularspalt zwischen benachbarten Zellen und stellen mit ihren zytoplasmatischen Domänen einen Ankerpunkt für desmosomale Brückenproteine dar, an welche wiederum die Proteine des Intermediärfilament-Zytoskeletts binden. Bei der Maus spielt das desmosomale Cadherin Desmoglein 2 (DSG2) bereits in frühen Stadien der Embryogenese eine entscheidende Rolle. Homozygote DSG2-Knockout-Mäuse sterben bereits vor der Implantation des Embryos ab. Im adulten Tier ist Dsg2 die am weitesten verbreitete Isoform, in Darm, Leber und Herzmuskel wird es zudem exklusiv exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Bedeutung von Dsg2 in differenzierten Gewebeverbänden adulter Tiere zu untersuchen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden mehrere transgene Mauslinien hergestellt, in denen mit Hilfe des Cre/loxP-Systems eine Deletion im DSG2-Gen konditional und gewebsspezifisch induziert werden konnte. Dazu wurden zuerst zwei loxP-Sequenzen und eine mit zwei FRT-Stellen flankierte Neomyzinresistenzgen-Kassette in das DSG2-Gen von embryonalen Stammzellen durch homologe Rekombination eines Targeting-Konstrukts inseriert. Diese Zellen wurden in Blastozysten injiziert und Mauslinien hergestellt. Mit Hilfe der Flpe-Rekombinase wurde anschließend die Resistenzenzgen-Kassette entfernt. Diese Stämme wurden mit Mäusen verpaart, die eine induzierbare und gewebsspezifische Synthese der Cre-Rekombinase ermöglichen. Im Darmepithel und der Leber konnte eine gewebsspezifische Rekombination des DSG2-Gens induziert werden. Untersuchungen der DSG2-mRNA zeigten, dass die DSG2-Rekombination in der Darmschleimhaut nahezu vollständig erfolgte. Immunfluoreszenz-Analysen an Gewebsfragmenten induzierter Tiere mit Isotyp-spezifischen Antikörpern, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt worden waren, zeigten jedoch keine signifikanten Unterschiede der Desmosomenzahl und -verteilung. Daher wurden eGFP-Hybride des zu erwartenden mutierten Dsg2-Proteins in Zellen exprimiert und mit wildtypischem Dsg2 verglichen. Es konnte hinsichtlich der Verteilung und Morphologie der Desmosomen keine Unterschiede zwischen beiden Dsg2-Proteinen festgestellt werden. Der Dsg2-Mutante fehlen wichtige Proteinbereiche, die für die trans-Interaktion der extrazellulären Domäne verantwortlich sind, die Haupt-N-Glykosylierungsstelle, sowie eine der insgesamt vier Kalzium-Bindestellen. Dies sind Eigenschaften, von denen man bisher annahm, dass sie eine zentrale Bedeutung für die desmosomale Adhäsion besitzen. Weitere Experimente werden zeigen, inwieweit die hergestellte Dsg2-Mutante in „Stresssituationen“, wie sie z.B. bei Regenerationsvorgängen oder der Tumorgenese auftreten, zu veränderten adhäsiven Eigenschaften führt.

Neural network activity in the neonatal rat barrel cortex in vivo

Coordinated patterns of electrical activity are important for the early development of sensory systems. The spatiotemporal dynamics of these early activity patterns and the role of the peripheral sensory input for their generation are essentially unknown. There are two projects in this thesis. In project1, we performed extracellular multielectrode recordings in the somatosensory cortex of postnatal day 0 to 7 rats in vivo and observed three distinct patterns of synchronized oscillatory activity. (1) Spontaneous and periphery-driven spindle bursts of 1–2 s in duration and ~10 Hz in frequency occurred approximately every 10 s. (2) Spontaneous and sensory-driven gamma oscillations of 150–300 ms duration and 30–40 Hz in frequency occurred every 10–30 s. (3) Long oscillations appeared only every ~20 min and revealed the largest amplitude (250–750 µV) and longest duration (>40 s). These three distinct patterns of early oscillatory activity differently synchronized the neonatal cortical network. Whereas spindle bursts and gamma oscillations did not propagate and synchronized a local neuronal network of 200–400 µm in diameter, long oscillations propagated with 25–30 µm/s and synchronized 600-800 µm large ensembles. All three activity patterns were triggered by sensory activation. Single electrical stimulation of the whisker pad or tactile whisker activation elicited neocortical spindle bursts and gamma activity. Long oscillations could be only evoked by repetitive sensory stimulation. The neonatal oscillatory patterns in vivo depended on NMDAreceptor-mediated synaptic transmission and gap junctional coupling. Whereas spindle bursts and gamma oscillations may represent an early functional columnar-like pattern, long oscillations may serve as a propagating activation signal consolidating these immature neuronal networks. In project2, Using voltage-sensitive dye imaging and simultaneous multi-channel extracellular recordings in the barrel cortex and somatosensory thalamus of newborn rats in vivo, we found that spontaneous and whisker stimulation induced activity patterns were restricted to functional cortical columns already at the day of birth. Spontaneous and stimulus evoked cortical activity consisted of gamma oscillations followed by spindle bursts. Spontaneous events were mainly generated in the thalamus or by spontaneous whisker movements. Our findings indicate that during early developmental stages cortical networks self-organize in ontogenetic columns via spontaneous gamma oscillations triggered by the thalamus or sensory periphery.

Die regulatorische Funktion des Usher-Syndrom-Proteins SANS in Proteinnetzwerken

Die vorliegende kumulative Arbeit umfasst Analysen zur Aufklärung der molekularen Grundlagen des humanen Usher-Syndroms (USH), der häufigsten Ursache kombinierter vererblicher Taub-Blindheit. Ziel dieser Arbeit war es, neue Erkenntnisse zur Funktion der USH-Proteine und den von ihnen organisierten Protein-Netzwerken in der Photorezeptorzelle zu erhalten. Dadurch sollten weitere Einsichten in die molekularen Ursachen des retinalen Phänotyps von USH gewonnen werden. Die Ergebnisse dieser Analysen wurden in einem Übersichtsartikel (I) und zwei Originalarbeiten (II, III) zusammengestellt.rn Im Übersichtsartikel (I) wurden die vorliegenden Hinweise zusammengefasst, die USH auf Grundlage der molekularen Verbindungen ebenfalls als Ciliopathien definiert. Zudem wird die Bedeutung des periciliären USH-Proteinnetzwerkes für das sensorische Cilium (Außensegment) der Photorezeptorzelle herausgestellt. rn In Publikation II wurde der Aufbau des USH1-USH2-Proteinnetzwerkes als Teil des periciliären Komplexes analysiert, der beim cargo handover von vesikulärer Fracht vom Innensegment- auf den ciliären Transport für die Photorezeptorzelle essentiell ist. Experimentell wurde Ush2a als neuer SANS-Interaktionspartner validiert. Des Weiteren wurde ein ternärer Komplex aus den USH-Proteinen SANS, Ush2a und Whirlin identifiziert, dessen Zusammensetzung durch die phosphorylierungsabhängige Interaktion zwischen SANS und Ush2a reguliert werden könnte. Dieser ternäre Komplex kann sowohl der Integrität der Zielmembran dienen als auch am Transfer von Molekülen ins Außensegment beteiligt sein.rn In Publikation III wurde das MAGUK-Protein Magi2 als neuer Interaktionspartner von SANS identifiziert und die Interaktion durch komplementäre Interaktionsassays validiert. Dabei wurde ein internes PDZ-Binde-Motiv in der SAM-Domäne von SANS identifiziert, das die Interaktion zur PDZ5-Domäne von Magi2 phosphorylierungsabhängig vermittelt. Dadurch wurde bestätigt, dass SANS durch post-translationale Modifizierung reguliert wird. Weiterführende Experimente zur Funktion des Magi2-SANS-Komplexes zeigen, dass Magi2 an Prozess der Rezeptor-vermittelten Endocytose beteiligt ist. Die Phosphorylierung von SANS durch die Kinase CK2 spielt bei der Endocytose ebenfalls eine wichtige Rolle. Der Phosphorylierungsstatus von SANS moduliert die Interaktion zu Magi2 und reguliert dadurch negativ den Prozess der Endocytose. In RNAi-Studien wurde die durch Magi2-vermittelte Endocytose darüber hinaus mit dem Prozess der Ciliogenese verknüpft. Die Analyse der subzellulären Verteilung der Interaktionspartner lokalisieren Magi2 im periciliären Komplex und assoziieren das periciliäre USH-Proteinnetzwerk dadurch mit dem Prozess der Endocytose in der ciliary pocket. Der SANS-Magi2-Komplex sollte demnach für Aufbau und Funktion des sensorischen Ciliums der Photorezeptorzelle eine wichtige Rolle spielen.rn Die Gesamtheit an Informationen, die aus den Publikationen dieser Dissertation und aus den Kooperationsprojekten (*) resultieren, haben die Kenntnisse zur zellulären Funktion der USH-Proteine und ihrer Interaktionspartner und damit über die pathogenen Mechanismen von USH erweitert. Dies bildet die Basis, um fundierte Therapiestrategien zu entwickeln.

Raum-zeitliche Analyse der Klimavariabilität anhand von hochaufgelösten interpolierten Klimakarten am Beispiel von Europa (Region VI der Weltorganisation für Meteorologie)

Klimamontoring benötigt eine operative, raum-zeitliche Analyse der Klimavariabilität. Mit dieser Zielsetzung, funktionsbereite Karten regelmäßig zu erstellen, ist es hilfreich auf einen Blick, die räumliche Variabilität der Klimaelemente in der zeitlichen Veränderungen darzustellen. Für aktuelle und kürzlich vergangene Jahre entwickelte der Deutsche Wetterdienst ein Standardverfahren zur Erstellung solcher Karten. Die Methode zur Erstellung solcher Karten variiert für die verschiedenen Klimaelemente bedingt durch die Datengrundlage, die natürliche Variabilität und der Verfügbarkeit der in-situ Daten.rnIm Rahmen der Analyse der raum-zeitlichen Variabilität innerhalb dieser Dissertation werden verschiedene Interpolationsverfahren auf die Mitteltemperatur der fünf Dekaden der Jahre 1951-2000 für ein relativ großes Gebiet, der Region VI der Weltorganisation für Meteorologie (Europa und Naher Osten) angewendet. Die Region deckt ein relativ heterogenes Arbeitsgebiet von Grönland im Nordwesten bis Syrien im Südosten hinsichtlich der Klimatologie ab.rnDas zentrale Ziel der Dissertation ist eine Methode zur räumlichen Interpolation der mittleren Dekadentemperaturwerte für die Region VI zu entwickeln. Diese Methode soll in Zukunft für die operative monatliche Klimakartenerstellung geeignet sein. Diese einheitliche Methode soll auf andere Klimaelemente übertragbar und mit der entsprechenden Software überall anwendbar sein. Zwei zentrale Datenbanken werden im Rahmen dieser Dissertation verwendet: So genannte CLIMAT-Daten über dem Land und Schiffsdaten über dem Meer.rnIm Grunde wird die Übertragung der Punktwerte der Temperatur per räumlicher Interpolation auf die Fläche in drei Schritten vollzogen. Der erste Schritt beinhaltet eine multiple Regression zur Reduktion der Stationswerte mit den vier Einflussgrößen der Geographischen Breite, der Höhe über Normalnull, der Jahrestemperaturamplitude und der thermischen Kontinentalität auf ein einheitliches Niveau. Im zweiten Schritt werden die reduzierten Temperaturwerte, so genannte Residuen, mit der Interpolationsmethode der Radialen Basis Funktionen aus der Gruppe der Neuronalen Netzwerk Modelle (NNM) interpoliert. Im letzten Schritt werden die interpolierten Temperaturraster mit der Umkehrung der multiplen Regression aus Schritt eins mit Hilfe der vier Einflussgrößen auf ihr ursprüngliches Niveau hochgerechnet.rnFür alle Stationswerte wird die Differenz zwischen geschätzten Wert aus der Interpolation und dem wahren gemessenen Wert berechnet und durch die geostatistische Kenngröße des Root Mean Square Errors (RMSE) wiedergegeben. Der zentrale Vorteil ist die wertegetreue Wiedergabe, die fehlende Generalisierung und die Vermeidung von Interpolationsinseln. Das entwickelte Verfahren ist auf andere Klimaelemente wie Niederschlag, Schneedeckenhöhe oder Sonnenscheindauer übertragbar.