New functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb

In case of severe osteoarthritis at the knee causing pain, deformity, and loss of stability and mobility, the clinicians consider that the substitution of these surfaces by means of joint prostheses. The objectives to be pursued by this surgery are: complete pain elimination, restoration of the normal physiological mobility and joint stability, correction of all deformities and, thus, of limping. The knee surgical navigation systems have bee developed in computer-aided surgery in order to improve the surgical final outcome in total knee arthroplasty. These systems provide the surgeon with quantitative and real-time information about each surgical action, like bone cut executions and prosthesis component alignment, by mean of tracking tools rigidly fixed onto the femur and the tibia. Nevertheless, there is still a margin of error due to the incorrect surgical procedures and to the still limited number of kinematic information provided by the current systems. Particularly, patello-femoral joint kinematics is not considered in knee surgical navigation. It is also unclear and, thus, a source of misunderstanding, what the most appropriate methodology is to study the patellar motion. In addition, also the knee ligamentous apparatus is superficially considered in navigated total knee arthroplasty, without taking into account how their physiological behavior is altered by this surgery. The aim of the present research work was to provide new functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb. This was mainly realized by means of the identification and development of new techniques that allow a thorough comprehension of the functioning of the knee joint, with particular attention to the patello-femoral joint and to the main knee soft tissues. A knee surgical navigation system with active markers was used in all research activities presented in this research work. Particularly, preliminary test were performed in order to assess the system accuracy and the robustness of a number of navigation procedures. Four studies were performed in-vivo on patients requiring total knee arthroplasty and randomly implanted by means of traditional and navigated procedures in order to check for the real efficacy of the latter with respect to the former. In order to cope with assessment of patello-femoral joint kinematics in the intact and replaced knees, twenty in-vitro tests were performed by using a prototypal tracking tool also for the patella. In addition to standard anatomical and articular recommendations, original proposals for defining the patellar anatomical-based reference frame and for studying the patello-femoral joint kinematics were reported and used in these tests. These definitions were applied to two further in-vitro tests in which, for the first time, also the implant of patellar component insert was fully navigated. In addition, an original technique to analyze the main knee soft tissues by means of anatomical-based fiber mappings was also reported and used in the same tests. The preliminary instrumental tests revealed a system accuracy within the millimeter and a good inter- and intra-observer repeatability in defining all anatomical reference frames. In in-vivo studies, the general alignments of femoral and tibial prosthesis components and of the lower limb mechanical axis, as measured on radiographs, was more satisfactory, i.e. within ±3°, in those patient in which total knee arthroplasty was performed by navigated procedures. As for in-vitro tests, consistent patello-femoral joint kinematic patterns were observed over specimens throughout the knee flexion arc. Generally, the physiological intact knee patellar motion was not restored after the implant. This restoration was successfully achieved in the two further tests where all component implants, included the patellar insert, were fully navigated, i.e. by means of intra-operative assessment of also patellar component positioning and general tibio-femoral and patello-femoral joint assessment. The tests for assessing the behavior of the main knee ligaments revealed the complexity of the latter and the different functional roles played by the several sub-bundles compounding each ligament. Also in this case, total knee arthroplasty altered the physiological behavior of these knee soft tissues. These results reveal in-vitro the relevance and the feasibility of the applications of new techniques for accurate knee soft tissues monitoring, patellar tracking assessment and navigated patellar resurfacing intra-operatively in the contest of the most modern operative techniques. This present research work gives a contribution to the much controversial knowledge on the normal and replaced of knee kinematics by testing the reported new methodologies. The consistence of these results provides fundamental information for the comprehension and improvements of knee orthopedic treatments. In the future, the reported new techniques can be safely applied in-vivo and also adopted in other joint replacements.

LBT AO system: tests and calibration

An Adaptive Optic (AO) system is a fundamental requirement of 8m-class telescopes. We know that in order to obtain the maximum possible resolution allowed by these telescopes we need to correct the atmospheric turbulence. Thanks to adaptive optic systems we are able to use all the effective potential of these instruments, drawing all the information from the universe sources as best as possible. In an AO system there are two main components: the wavefront sensor (WFS) that is able to measure the aberrations on the incoming wavefront in the telescope, and the deformable mirror (DM) that is able to assume a shape opposite to the one measured by the sensor. The two subsystem are connected by the reconstructor (REC). In order to do this, the REC requires a “common language" between these two main AO components. It means that it needs a mapping between the sensor-space and the mirror-space, called an interaction matrix (IM). Therefore, in order to operate correctly, an AO system has a main requirement: the measure of an IM in order to obtain a calibration of the whole AO system. The IM measurement is a 'mile stone' for an AO system and must be done regardless of the telescope size or class. Usually, this calibration step is done adding to the telescope system an auxiliary artificial source of light (i.e a fiber) that illuminates both the deformable mirror and the sensor, permitting the calibration of the AO system. For large telescope (more than 8m, like Extremely Large Telescopes, ELTs) the fiber based IM measurement requires challenging optical setups that in some cases are also impractical to build. In these cases, new techniques to measure the IM are needed. In this PhD work we want to check the possibility of a different method of calibration that can be applied directly on sky, at the telescope, without any auxiliary source. Such a technique can be used to calibrate AO system on a telescope of any size. We want to test the new calibration technique, called “sinusoidal modulation technique”, on the Large Binocular Telescope (LBT) AO system, which is already a complete AO system with the two main components: a secondary deformable mirror with by 672 actuators, and a pyramid wavefront sensor. My first phase of PhD work was helping to implement the WFS board (containing the pyramid sensor and all the auxiliary optical components) working both optical alignments and tests of some optical components. Thanks to the “solar tower” facility of the Astrophysical Observatory of Arcetri (Firenze), we have been able to reproduce an environment very similar to the telescope one, testing the main LBT AO components: the pyramid sensor and the secondary deformable mirror. Thanks to this the second phase of my PhD thesis: the measure of IM applying the sinusoidal modulation technique. At first we have measured the IM using a fiber auxiliary source to calibrate the system, without any kind of disturbance injected. After that, we have tried to use this calibration technique in order to measure the IM directly “on sky”, so adding an atmospheric disturbance to the AO system. The results obtained in this PhD work measuring the IM directly in the Arcetri solar tower system are crucial for the future development: the possibility of the acquisition of IM directly on sky means that we are able to calibrate an AO system also for extremely large telescope class where classic IM measurements technique are problematic and, sometimes, impossible. Finally we have not to forget the reason why we need this: the main aim is to observe the universe. Thanks to these new big class of telescopes and only using their full capabilities, we will be able to increase our knowledge of the universe objects observed, because we will be able to resolve more detailed characteristics, discovering, analyzing and understanding the behavior of the universe components.

Geological and Structural evolution of the Eurasia Africa plate boundary in the Gulf of Cadiz Central Eastern Atlantic Sea.

Iberia Africa plate boundary, cross, roughly W-E, connecting the eastern Atlantic Ocean from Azores triple junction to the Continental margin of Morocco. Relative movement between the two plate change along the boundary, from transtensive near the Azores archipelago, through trascurrent movement in the middle at the Gloria Fracture Zone, to transpressive in the Gulf of Cadiz area. This study presents the results of geophysical and geological analysis on the plate boundary area offshore Gibraltar. The main topic is to clarify the geodynamic evolution of this area from Oligocene to Quaternary. Recent studies have shown that the new plate boundary is represented by a 600 km long set of aligned, dextral trascurrent faults (the SWIM lineaments) connecting the Gloria fault to the Riff orogene. The western termination of these lineaments crosscuts the Gibraltar accretionary prism and seems to reach the Moroccan continental shelf. In the past two years newly acquired bathymetric data collected in the Moroccan offshore permit to enlighten the present position of the eastern portion of the plate boundary, previously thought to be a diffuse plate boundary. The plate boundary evolution, from the onset of compression in the Oligocene to the Late Pliocene activation of trascurrent structures, is not yet well constrained. The review of available seismics lines, gravity and bathymetric data, together with the analysis of new acquired bathymetric and high resolution seismic data offshore Morocco, allows to understand how the deformation acted at lithospheric scale under the compressive regime. Lithospheric folding in the area is suggested, and a new conceptual model is proposed for the propagation of the deformation acting in the brittle crust during this process. Our results show that lithospheric folding, both in oceanic and thinned continental crust, produced large wavelength synclines bounded by short wavelength, top thrust, anticlines. Two of these anticlines are located in the Gulf of Cadiz, and are represented by the Gorringe Ridge and Coral Patch seamounts. Lithospheric folding probably interacted with the Monchique – Madeira hotspot during the 72 Ma to Recent, NNE – SSW transit. Plume related volcanism is for the first time described on top of the Coral Patch seamount, where nine volcanoes are found by means of bathymetric data. 40Ar-39Ar age of 31.4±1.98 Ma are measured from one rock sample of one of these volcanoes. Analysis on biogenic samples show how the Coral Patch act as a starved offshore seamount since the Chattian. We proposed that compression stress formed lithospheric scale structures playing as a reserved lane for the upwelling of mantle material during the hotspot transit. The interaction between lithospheric folding and the hotspot emplacement can be also responsible for the irregularly spacing, and anomalous alignments, of individual islands and seamounts belonging to the Monchique - Madeira hotspot.

Methodological improvement of 3D fluoroscopic analysis for the robust quantification of 3D kinematics of human joints

3D video-fluoroscopy is an accurate but cumbersome technique to estimate natural or prosthetic human joint kinematics. This dissertation proposes innovative methodologies to improve the 3D fluoroscopic analysis reliability and usability. Being based on direct radiographic imaging of the joint, and avoiding soft tissue artefact that limits the accuracy of skin marker based techniques, the fluoroscopic analysis has a potential accuracy of the order of mm/deg or better. It can provide fundamental informations for clinical and methodological applications, but, notwithstanding the number of methodological protocols proposed in the literature, time consuming user interaction is exploited to obtain consistent results. The user-dependency prevented a reliable quantification of the actual accuracy and precision of the methods, and, consequently, slowed down the translation to the clinical practice. The objective of the present work was to speed up this process introducing methodological improvements in the analysis. In the thesis, the fluoroscopic analysis was characterized in depth, in order to evaluate its pros and cons, and to provide reliable solutions to overcome its limitations. To this aim, an analytical approach was followed. The major sources of error were isolated with in-silico preliminary studies as: (a) geometric distortion and calibration errors, (b) 2D images and 3D models resolutions, (c) incorrect contour extraction, (d) bone model symmetries, (e) optimization algorithm limitations, (f) user errors. The effect of each criticality was quantified, and verified with an in-vivo preliminary study on the elbow joint. The dominant source of error was identified in the limited extent of the convergence domain for the local optimization algorithms, which forced the user to manually specify the starting pose for the estimating process. To solve this problem, two different approaches were followed: to increase the optimal pose convergence basin, the local approach used sequential alignments of the 6 degrees of freedom in order of sensitivity, or a geometrical feature-based estimation of the initial conditions for the optimization; the global approach used an unsupervised memetic algorithm to optimally explore the search domain. The performances of the technique were evaluated with a series of in-silico studies and validated in-vitro with a phantom based comparison with a radiostereometric gold-standard. The accuracy of the method is joint-dependent, and for the intact knee joint, the new unsupervised algorithm guaranteed a maximum error lower than 0.5 mm for in-plane translations, 10 mm for out-of-plane translation, and of 3 deg for rotations in a mono-planar setup; and lower than 0.5 mm for translations and 1 deg for rotations in a bi-planar setups. The bi-planar setup is best suited when accurate results are needed, such as for methodological research studies. The mono-planar analysis may be enough for clinical application when the analysis time and cost may be an issue. A further reduction of the user interaction was obtained for prosthetic joints kinematics. A mixed region-growing and level-set segmentation method was proposed and halved the analysis time, delegating the computational burden to the machine. In-silico and in-vivo studies demonstrated that the reliability of the new semiautomatic method was comparable to a user defined manual gold-standard. The improved fluoroscopic analysis was finally applied to a first in-vivo methodological study on the foot kinematics. Preliminary evaluations showed that the presented methodology represents a feasible gold-standard for the validation of skin marker based foot kinematics protocols.

Klonierung, heterologe Expression, Kristallisation und Struktur der Perakin-Reduktase aus Rauvolfia serpentina

Die Perakin-Reduktase (PR) ist ein hochspezifisches Enzym aus dem Alkaloidstoffwechsel in Rauvolfia serpentina, dessen enzymatischer und molekularer Reaktionsmechanismus noch immer unbekannt ist. Um die dreidimensionale Struktur der PR aufzuklären, wurde in der vorliegenden Arbeit das für die PR codierende Gen erstmals identifiziert, exprimiert und das Genprodukt zur Kristallisation gebracht. Die PR ist ein 337 Aminosäure langes monomeres Protein mit einem Molekulargewicht von 37,2 kDa. Die Reinigung erfolgte über Ni2+-NTA-Affinitätschromatographie und lieferte 10 mg homogenes Protein pro Liter Bakterienkultur. Nach Expression in E. coli wurde im Enzym-Assay die NADPH2-abhängige Reduktion von Perakin zu Raucaffrinolin bestätigt und das Endprodukt massenspektrometrisch identifiziert. Durch Sequenzalignments mit anderen Proteinen wurde geschlossen, dass die PR zu der Superfamilie der Aldo/Keto-Reduktasen (AKR) gehört. Nach heterologer Expression in E. coli konnte die homogene, über reduktive Methylierung modifizierte PR mit Hilfe der Methode der Dampfdiffusion im hängenden Tropfen kristallisiert werden. In Gegenwart von 27% PEG 4000 und 100 mM Natriumcitrat (pH 5,6) bildeten sich nach 4 Tagen bei 20°C die ersten Kristalle. Die Struktur der PR konnte mit einer Auflösung von 2,0 Å durch molekularen Ersatz vollständig gelöst werden. Das Strukturmodell besitzt eine für AKRs charakteristische (α/β)8 TIM-barrel Faltung, konservierte Aminosäuren, die an der Bindung von NADPH2 beteiligt sind sowie eine katalytische Tetrade, die den Wasserstofftransfer von NADPH2 zum Kohlenstoff des Substrates vermittelt.

Ursachen der unterschiedlichen Oligomerisierung von Lichtsammelproteinen

Die verschiedenen Lichtsammelproteine (Lhc-Proteine) höherer Pflanzen unterscheiden sich im Oligomerisierungsverhalten. Im Photosystem II existieren 6 Lhc-Proteine, die entweder die monomeren Lichtsammelkomplexe (LHC) CP24 (Lhcb6), CP26 (Lhcb5) und CP29 (Lhcb4) oder den trimeren LHCII (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3) bilden. Im Photosystem I sind laut Kristallstruktur vier Lhc-Proteine lokalisiert, die als Heterodimere organisiert vorliegen. Der schwerpunktmäßig untersuchte LHCI-730 setzt sich aus Lhca1 und Lhca4 zusammen, während der LHCI-680 aus Lhca2 und Lhca3 besteht. Das Ziel der Arbeit bestand in der Identifizierung der für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten verantwortlichen Proteinbereiche und Aminosäuren. Die für diese Arbeit generierten Consensussequenzalignments verschiedener Lhca- und Lhcb-Proteine vieler Arten unterstützen die Folgerungen aus Strukturdaten und anderen Sequenzalignments, dass den LHCs eine gemeinsame Monomerstruktur zu Grunde liegt. Die Helices 1 und 3 weisen weitgehend sehr hohe Sequenzidentitäten auf, während die N- und C-Termini, die zwei Schleifenregionen und die Helix 2 nur schwach konserviert sind. Falls die Bereiche mit hoher Sequenzübereinstimmung für das Zustandekommen ähnlicher monomerer LHC-Strukturen verantwortlich sind, könnten in den schwach konservierten Domänen die Ursachen für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten lokalisiert sein. Aufgrund dessen wurden die schwach konservierten Domänen des monomerisierenden Lhcb4, des mit dem Lhca1 dimerisierenden Lhca4 und des Trimere bildenden Lhcb1 gegen die entsprechenden Domänen der anderen Proteine ausgetauscht und bezüglich ihres Oligomerisierungsverhaltens untersucht. Im Lhca4 konnten mit der Helix 2 und der stromalen Schleife zwei für eine Heterodimerisierung essentielle Domänen gefunden werden. Im Lhcb1 waren neben dem N-Terminus auch die 2. Helix und die stromale Schleifendomäne unentbehrlich für eine Trimerisierung. Zusätzlich waren Dimerisierung und Trimerisierung bei Austausch der luminalen Schleife beeinträchtigt. Ein geringer Beitrag zur Lhcb1-Trimerisierung konnte auch für den C-Terminus belegt werden. Ein zusätzliches Ziel der Arbeit sollte der Transfer der Oligomerisierungseigenschaften durch umfangreichen Domänentausch von einem auf ein anderes Protein sein. Der Transfer der Fähigkeit zur Dimerbildung durch Substitution gegen essentielle Lhca4-Domänen (50% luminale Schleife, 100% Helix 2 und 100% stromale Schleife) gelang beim Lhcb4, nicht aber beim Lhcb1. Der Transfer der Trimerisierungsfähigkeit auf Lhca4 und Lhcb4 scheiterte. Eine Lhca1-Mutante mit allen für eine Dimerisierung essentiellen Lhca4-Domänen, die durch Interaktion einzelner Moleküle untereinander multimere LHCs bilden sollte, war bereits in ihrer Monomerbildung beeinträchtigt. Eine Übertragung der Oligomerisierungsfähigkeit auf andere Proteine durch massiven Domänentransfer gestaltete sich somit schwierig, da vermutlich im mutierten Protein immer noch ursprüngliche Tertiärstrukturanteile enthalten waren, die nicht mit den transferierten Proteinbestandteilen kompatibel sind. Bei zukünftigen Experimenten zur Klärung der Transferierbarkeit der Oligomerisierungseigenschaft sollten deswegen neben dem unberücksichtigten 1. Teil der luminalen Schleife auch wenig konservierte Aminosäuren in der 1. und 3. Helix Beachtung finden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die LHCI-730-Dimerisierung im Detail zu untersuchen. Mutationsanalysen bestätigten den von früheren Untersuchungen bekannten Einfluss des Isoleucins 103 und Histidins 99. Letzteres geht möglicherweise durch sein gebundenes Chlorophyll eine Interaktion mit dem Lhca1 ein. Das Phenylalanin 95 stellte sich ebenfalls als ein wichtiger Interaktionspartner heraus und könnte in Wechselwirkung mit einem zwischen Lhca1 und Lhca4 lokalisierten Phosphatidylglycerin treten. Das ebenfalls an der Dimerbildung beteiligte Serin 88 des Lhca4 könnte auf Grund der räumlichen Nähe bei Modellierungen direkt mit dem am C-Terminus des Lhca1 lokalisierten Glycin 190 interagieren. Darüber hinaus wurde ein in der luminalen Lhca4-Schleife lokalisiertes Phenylalanin 84 als Interaktionspartner des Tryptophans 185 im C-Terminus von Lhca1 identifiziert. Der simultane Austausch des Isoleucins 109 und Lysins 110 in der stromalen Schleife des Lhca4, konnte deren Einfluss auf die Dimerisierung belegen. Nachdem bislang an der Dimerbildung beteiligte Aminosäuren am N- und C-Terminus des Lhca1 und Lhca4 identifiziert werden konnten, wurden in dieser Arbeit viele an einer Dimerbildung beteiligten Proteinbereiche und Aminosäuren in der Helix 2 und den Schleifenregionen des Lhca4 identifiziert. Um alle an der Lhca1-Lhca4-Interaktion beteiligten Aminosäuren aufzuklären, müssten durch Mutationsanalysen die in der stromalen Lhca4-Schleife vermuteten Interaktionspartner des für die Dimerisierung wichtigen Tryptophans 4 am N-Terminus von Lhca1 identifiziert, und die in der Helix 3 des Lhca1 vermuteten Interaktionspartner der Helix 2 des Lhca4 ermittelt werden.

A clustering method for robust and reliable large scale functional and structural protein sequence annotation

Bioinformatics, in the last few decades, has played a fundamental role to give sense to the huge amount of data produced. Obtained the complete sequence of a genome, the major problem of knowing as much as possible of its coding regions, is crucial. Protein sequence annotation is challenging and, due to the size of the problem, only computational approaches can provide a feasible solution. As it has been recently pointed out by the Critical Assessment of Function Annotations (CAFA), most accurate methods are those based on the transfer-by-homology approach and the most incisive contribution is given by cross-genome comparisons. In the present thesis it is described a non-hierarchical sequence clustering method for protein automatic large-scale annotation, called “The Bologna Annotation Resource Plus” (BAR+). The method is based on an all-against-all alignment of more than 13 millions protein sequences characterized by a very stringent metric. BAR+ can safely transfer functional features (Gene Ontology and Pfam terms) inside clusters by means of a statistical validation, even in the case of multi-domain proteins. Within BAR+ clusters it is also possible to transfer the three dimensional structure (when a template is available). This is possible by the way of cluster-specific HMM profiles that can be used to calculate reliable template-to-target alignments even in the case of distantly related proteins (sequence identity < 30%). Other BAR+ based applications have been developed during my doctorate including the prediction of Magnesium binding sites in human proteins, the ABC transporters superfamily classification and the functional prediction (GO terms) of the CAFA targets. Remarkably, in the CAFA assessment, BAR+ placed among the ten most accurate methods. At present, as a web server for the functional and structural protein sequence annotation, BAR+ is freely available at http://bar.biocomp.unibo.it/bar2.0.

Constraining mass and shape of galaxy clusters through large scale structures

The mass estimation of galaxy clusters is a crucial point for modern cosmology, and can be obtained by several different techniques. In this work we discuss a new method to measure the mass of galaxy clusters connecting the gravitational potential of the cluster with the kinematical properties of its surroundings. We explore the dynamics of the structures located in the region outside virialized cluster, We identify groups of galaxies, as sheets or filaments, in the cluster outer region, and model how the cluster gravitational potential perturbs the motion of these structures from the Hubble fow. This identification is done in the redshift space where we look for overdensities with a filamentary shape. Then we use a radial mean velocity profile that has been found as a quite universal trend in simulations, and we fit the radial infall velocity profile of the overdensities found. The method has been tested on several cluster-size haloes from cosmological N-body simulations giving results in very good agreement with the true values of virial masses of the haloes and orientation of the sheets. We then applied the method to the Coma cluster and even in this case we found a good correspondence with previous. It is possible to notice a mass discrepancy between sheets with different alignments respect to the center of the cluster. This difference can be used to reproduce the shape of the cluster, and to demonstrate that the spherical symmetry is not always a valid assumption. In fact, if the cluster is not spherical, sheets oriented along different axes should feel a slightly different gravitational potential, and so give different masses as result of the analysis described before. Even this estimation has been tested on cosmological simulations and then applied to Coma, showing the actual non-sphericity of this cluster.

Funktionelle und strukturelle Charakterisierung des Ovastacins in vivo und in vitro

Die Metalloprotease Ovastacin, ein Vertreter der Astacin-Familie, wurde erstmals 2004 beschrieben. Im Ovar von Säugetieren ist Ovastacin-mRNA im Zeitfenster vom Stadium der Sekundärfollikel bis kurz nach der Befruchtung der Eizelle zu finden. Der Expressionsort und -zeitpunkt sowie die Sequenzähnlichkeit von über 60% mit sogenannten „Schlüpfenzymen“ (engl. hatching enzymes), die man in den Eizellen und Zygoten niederer Wirbeltiere und Wirbelloser gefunden hatte, ließen die Vermutung aufkommen, es könnte sich hier um das Säugerhomolog dieser Proteasen handeln. Generell lösen hatching Enzyme die derben embryonalen Hüllstrukturen (bei Säugern die Zona pellucida, ZP) beim Schlüpfvorgang auf. Die essentielle Bedeutung des Ovastacins für die Befruchtung wird durch die um ca. 30% reduzierte Fruchtbarkeit von Ovastacin defizienten Mäusen belegt. Hochinteressant war in diesem Zusammenhang die Entdeckung des Ovastacins in den Cortikalgranula der Oocyten sowie seine Fähigkeit, das Zona pellucida Protein 2 zu schneiden. Die dadurch bewirkte Verhärtung der Zona pellucida verhindert das Eindringen weiterer Spermien, das heißt sie baut eine Barriere gegen Polyspermie auf. Ziel dieser Arbeit war es, Belege für die physiologische Funktion des Ovastacins zu finden. Vor allem galt es, potentielle Aktivatoren zu identifizieren, da das Enzym wie alle Astacine als inaktive Vorstufe gebildet wird, die proteolytisch aktiviert werden muss. Zu diesem Zweck exprimierte ich rekombinantes Pro-Ovastacin in Insektenzellen. Aktivierungsstudien in vitro zeigten, dass ein saures Milieu zu einer Aktivierung führt, ohne die Abspaltung des Propeptids zu bewirken. Sequenzalignments und ein homologes Strukturmodell des Ovastacins wiesen auf Trypsin- oder Elastase-ähnliche Serinproteasen als potentielle Aktivierungsenzyme hin. Tatsächlich konnte mit diesen beiden Proteasetypen zum ersten Mal aktives Ovastacin aus Pro-Ovastacin erzeugt werden. Trypsin kommt als physiologischer Aktivator allerdings nicht in Betracht, da es bisher in keinem der Gewebe nachgewiesen werden konnte, in dem Ovastacin exprimiert wird. Die neutrophile Elastase dagegen konnte in der Leber, im Herz sowie im Blutplasma nachgewiesen werden. Mit Hilfe spezifischer Antikörper konnte das Herz als Expressionsort für Ovastacin bestätigt werden. Somit wäre Elastase ein potentieller physiologischer Aktivator von Ovastacin. Die Identifikation des Ovastacins in Geweben wie Leber, Herz, Nabelschnur und im Blutplasma weist auf eine Rolle der Protease in proteolytischen Netzwerken außerhalb der Spermien-Ei-Interaktion hin. Die Bedeutung der biologischen Kontrolle des Ovastacins bei der Befruchtung der Säugereizelle wird durch die Beobachtung untermauert, dass das Leberprotein Fetuin B als physiologischer Ovastacininhibitor fungiert und dadurch eine vorzeitige Verhärtung der Zona pellucida verhindert, die andernfalls die Penetration von Spermien prinzipiell verhindern würde.

Das GAF-Domänen-Protein NreA : ein neuartiger Nitratrezeptor aus Staphylococcus carnosus

Staphylococcus carnosus ist ein fakultativ anaerobes Bakterium, das aerobe Atmung, anaerobe Nitratatmung und Gärungsstoffwechsel betreiben kann. Die Expression des Nitratstoffwechsels wird durch das Dreikomponentensystem NreABC reguliert.rnUnter anaeroben Bedingungen besitzt die Sensorhistidinkinase NreB in ihrer PAS-Domäne ein [Fe4S4]2+-Cluster. Das aktive (anaerobe) [Fe4S4]2+-NreB überträgt nach Autophosphorylierung die Phosphorylgruppe auf den Antwortregulator NreC, welcher dann die Expression der Gene der Nitratatmung aktiviert. Nitrat wirkt mit Hilfe des NreA-Proteins auf diese Gene induzierend. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass NreA ein GAF-Domänen-Protein und ein neuartiger Nitratrezeptor ist.rnDie Natur von NreA als GAF-Domänen-Protein bestätigte sich beim Vergleich der Kristallstruktur mit denen anderer GAF-Domänen. GAF-Domänen sind weit verbreitet und binden typischer Weise kleine Moleküle. Als physiologischer Ligand von NreA zeigte sich Nitrat, das innerhalb einer definierten Bindetasche gebunden wird. NreA bindet vermutlich in dimerer Form an dimeres NreB und inhibiert dadurch die Phosphorylierung der Sensorhistidinkinase NreB. Die Interaktion von NreA mit NreB wurde in vivo durch BACTH-Messungen und sowohl in vivo als auch in vitro durch Cross-Linking Experimente gezeigt. Nitrat reduziert den Ergebnissen nach die Interaktion von NreA mit NreB.rnDurch Sequenzvergleiche von NreA mit Homologen wurden konservierte Aminosäuren identifiziert. Über gerichtete Mutagenese wurden 25 NreA-Varianten hergestellt und bezüglich ihres Verhaltens in Abhängigkeit von Nitrat in narG-lip-Reportergenstudien getestet. Anhand ihres Phänotyps wurden sie als Wildtyp, NreA- und NreABC-Mutanten klassifiziert. Die Nitratbindetasche war in sechs Fällen betroffen. Die Phänotypen der Mutationen in der Peripherie lassen sich mit Auswirkungen auf die vermutete Konformationsänderung oder auf die Interaktion mit NreB erklären. Mutationen von konservierten, oberflächenexponierten Resten führten vermehrt zu NreA/ON-Varianten. Es ließen sich Bereiche auf der Proteinoberfläche identifizieren, die für NreA/NreA- oder NreA/NreB-Interaktionen wichtig sein könnten.rnDie Untersuchungen zeigten, dass NreA mit NreB interagiert und dass dadurch ein NreA/NreB-Sensorkomplex für die gemeinsame Erkennung von Nitrat und Sauerstoff gebildet wird.

Isolierung, Charakterisierung und Nachweis methanogener Archaea aus laufenden Praxis-NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Beruecksichtigung der Gattung Methanobacterium

Im Verlauf der Forschungsarbeit wurden Proben aus fünf, mit nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) beschickten, landwirtschaftlichen Biogasanlagen (BGA) auf die Biozönose methanogener Archaea hin molekularbiologisch untersucht. Über „amplified rDNA restriction analysis“-Screening (ARDRA) von Bibliotheken auf Basis von 16S rRNA-Genfragmenten konnte anhand zweier beispielhafter BGA das Vorkommen von Vertretern der Gattungen Methanoculleus (Mcu.), Methanobacterium (Mb.), Methanosarcina (Msc.) und Methanosaeta (Mst.) nachgewiesen werden. Mittels denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) wurde das Vorkommen dieser Mikroorganismen auch in den übrigen Anlagen gezeigt. Ergänzend dazu wurde in drei Anlagen Methanospirillum hungatei nachgewiesen. Nach Ausarbeitung gattungsspezifischer Isolierungsstrategien konnten insgesamt zehn Vertreter der Gattung Methanobacterium (Isolate Mb1 bis Mb10) und jeweils ein Vertreter der Gattungen Methanoculleus (Isolat Mcu(1)), Methanosarcina (Isolat NieKK) und Methanosaeta (Isolat Mst1.3) aus den BGA-Proben isoliert werden. Durch in silico-Abgleich der partiellen 16S rRNA-Gensequenzen wurden diese als Verwandte von Mb. formicicum MFT, Mcu. bourgensis MS2T, Msc. mazei S-6T und Mst. concilii FE mit einer Sequenzidentität > 97% identifiziert. Im Laufe weiterer molekularbiologischer Untersuchungen mittels DGGE und ARDRA-Analyse konnten die Isolate den Referenzstämmen zugeordnet werden. In Bezug auf die Gattung Methanobacterium ergaben sich jedoch leichte Abweichungen. Diese bestätigten sich in vergleichenden Analysen des genomischen Fingerabdrucks in der „specifically amplified polymorphic DNA“-PCR (SAPD-PCR), welche im Rahmen dieser Arbeit erstmalig erfolgreich auf archaeelle Organismen angewandt wurde. Hier zeigten die Isolate zwei von den Fingerabdrücken der untersuchten Referenzstämme verschiedene Hauptamplifikationsmuster. Aufgrund der Vielzahl der Isolate sowie dem signifikanten Vorkommen in qPCR-Analysen und Klonbibliotheken fokussierten sich die weiteren Arbeiten zur genauen Untersuchung dieser Abweichungen auf phylogenetische Analysen der Gattung Methanobacterium und die Entwicklung von Nachweissystemen. Die Aufklärung eines Großteils der 23S rRNA-Gensequenzen der Isolate und von ausgewählten Typstämmen ermöglichte ergänzende phylogenetische Untersuchungen zu durchgeführten 16S rRNA-Analysen. Dabei wurden die Isolate jeweils in einem eigenen Cluster abseits der meisten Referenzstämme aus der Gattung Methanobacterium positioniert. Analog zur Musterbildung im Rahmen der SAPD-Analyse zeigte sich eine Differenzierung in zwei Äste und ergab in Übereinstimmung mit den in silico-Sequenzabgleichen den höchsten Verwandtschaftsgrad mit Mb. formicicum MFT. Die Eignung der SAPD-PCR zur Ableitung spezifischer Primerpaare konnte erstmals auch für methanogene Archaea gezeigt werden. Die Ableitung zweier Primerpaare mit Spezifität für die Methanobacterium-Isolate Mb1 bis Mb10 sowie für den Typstamm Mb. formicicum MFT gelang und konnte im Rahmen eines Direkt-PCR-Nachweises erfolgreich auf Reinkulturen und Fermenterproben angewandt werden. Unter Einbezug der sequenzierten 23S rRNA-Genfragmente gelang die Erstellung von Oligonukleotid-Sonden für den Einsatz in Fluoreszenz in situ-Hybridisierungsexperimenten. Im Praxistest ergab sich für diese Sonden eine Spezifität für alle getesteten Vertreter der Gattung Methanobacterium sowie für Methanosphaera stadtmanae MCB-3T und Methanobrevibacter smithii PST.rnSomit konnten im Laufe der Arbeit die dominanten methanogenen Archaea in NawaRo-BGA in mehrphasigen Experimenten nachgewiesen, quantifiziert und auf nur wenige Gattungen eingegrenzt werden. Vertreter der vier dominanten Gattungen wurden isoliert und Nachweissysteme für Arten der Gattung Methanobacterium erstellt.rn

Efficient subsequence alignment of time series

Zeitreihen sind allgegenwärtig. Die Erfassung und Verarbeitung kontinuierlich gemessener Daten ist in allen Bereichen der Naturwissenschaften, Medizin und Finanzwelt vertreten. Das enorme Anwachsen aufgezeichneter Datenmengen, sei es durch automatisierte Monitoring-Systeme oder integrierte Sensoren, bedarf außerordentlich schneller Algorithmen in Theorie und Praxis. Infolgedessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der effizienten Berechnung von Teilsequenzalignments. Komplexe Algorithmen wie z.B. Anomaliedetektion, Motivfabfrage oder die unüberwachte Extraktion von prototypischen Bausteinen in Zeitreihen machen exzessiven Gebrauch von diesen Alignments. Darin begründet sich der Bedarf nach schnellen Implementierungen. Diese Arbeit untergliedert sich in drei Ansätze, die sich dieser Herausforderung widmen. Das umfasst vier Alignierungsalgorithmen und ihre Parallelisierung auf CUDA-fähiger Hardware, einen Algorithmus zur Segmentierung von Datenströmen und eine einheitliche Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen.rnrnDer erste Beitrag ist eine vollständige CUDA-Portierung der UCR-Suite, die weltführende Implementierung von Teilsequenzalignierung. Das umfasst ein neues Berechnungsschema zur Ermittlung lokaler Alignierungsgüten unter Verwendung z-normierten euklidischen Abstands, welches auf jeder parallelen Hardware mit Unterstützung für schnelle Fouriertransformation einsetzbar ist. Des Weiteren geben wir eine SIMT-verträgliche Umsetzung der Lower-Bound-Kaskade der UCR-Suite zur effizienten Berechnung lokaler Alignierungsgüten unter Dynamic Time Warping an. Beide CUDA-Implementierungen ermöglichen eine um ein bis zwei Größenordnungen schnellere Berechnung als etablierte Methoden.rnrnAls zweites untersuchen wir zwei Linearzeit-Approximierungen für das elastische Alignment von Teilsequenzen. Auf der einen Seite behandeln wir ein SIMT-verträgliches Relaxierungschema für Greedy DTW und seine effiziente CUDA-Parallelisierung. Auf der anderen Seite führen wir ein neues lokales Abstandsmaß ein, den Gliding Elastic Match (GEM), welches mit der gleichen asymptotischen Zeitkomplexität wie Greedy DTW berechnet werden kann, jedoch eine vollständige Relaxierung der Penalty-Matrix bietet. Weitere Verbesserungen umfassen Invarianz gegen Trends auf der Messachse und uniforme Skalierung auf der Zeitachse. Des Weiteren wird eine Erweiterung von GEM zur Multi-Shape-Segmentierung diskutiert und auf Bewegungsdaten evaluiert. Beide CUDA-Parallelisierung verzeichnen Laufzeitverbesserungen um bis zu zwei Größenordnungen.rnrnDie Behandlung von Zeitreihen beschränkt sich in der Literatur in der Regel auf reellwertige Messdaten. Der dritte Beitrag umfasst eine einheitliche Methode zur Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen. Darauf aufbauend werden Distanzmaße auf der Rotationsgruppe SO(3) und auf der euklidischen Gruppe SE(3) behandelt. Des Weiteren werden speichereffiziente Darstellungen und gruppenkompatible Erweiterungen elastischer Maße diskutiert.

Clinical and biochemical description of a novel CYP21A2 gene mutation 962_963insA using a new 3D model for the P450c21 protein

OBJECTIVE: A severely virilized 46, XX newborn girl was referred to our center for evaluation and treatment of congenital adrenal hyperplasia (CAH) because of highly elevated 17alpha-hydroxyprogesterone levels at newborn screening; biochemical tests confirmed the diagnosis of salt-wasting CAH. Genetic analysis revealed that the girl was compound heterozygote for a previously reported Q318X mutation in exon 8 and a novel insertion of an adenine between nucleotides 962 and 963 in exon 4 of the CYP21A2 gene. This 962_963insA mutation created a frameshift leading to a stop codon at amino acid 161 of the P450c21 protein. AIM AND METHODS: To better understand structure-function relationships of mutant P450c21 proteins, we performed multiple sequence alignments of P450c21 with three mammalian P450s (P450 2C8, 2C9 and 2B4) with known structures as well as with human P450c17. Comparative molecular modeling of human P450c21 was then performed by MODELLER using the X-ray crystal structure of rabbit P450 2B4 as a template. RESULTS: The new three dimensional model of human P450c21 and the sequence alignment were found to be helpful in predicting the role of various amino acids in P450c21, especially those involved in heme binding and interaction with P450 oxidoreductase, the obligate electron donor. CONCLUSION: Our model will help in analyzing the genotype-phenotype relationship of P450c21 mutations which have not been tested for their functional activity in an in vitro assay.

A new method to monitor visual field defects caused by photoreceptor degeneration by quantitative optical coherence tomography

PURPOSE: To correlate the dimension of the visual field (VF) tested by Goldman kinetic perimetry with the extent of visibility of the highly reflective layer between inner and outer segments of photoreceptors (IOS) seen in optical coherence tomography (OCT) images in patients with retinitis pigmentosa (RP). METHODS: In a retrospectively designed cross-sectional study, 18 eyes of 18 patients with RP were examined with OCT and Goldmann perimetry using test target I4e and compared with 18 eyes of 18 control subjects. A-scans of raw scan data of Stratus OCT images (Carl Zeiss Meditec, AG, Oberkochen, Germany) were quantitatively analyzed for the presence of the signal generated by the highly reflective layer between the IOS in OCT images. Starting in the fovea, the distance to which this signal was detectable was measured. Visual fields were analyzed by measuring the distance from the center point to isopter I4e. OCT and visual field data were analyzed in a clockwise fashion every 30 degrees , and corresponding measures were correlated. RESULTS: In corresponding alignments, the distance from the center point to isopter I4e and the distance to which the highly reflective signal from the IOS can be detected correlate significantly (r = 0.75, P < 0.0001). The greater the distance in VF, the greater the distance measured in OCT. CONCLUSIONS: The authors hypothesize that the retinal structure from which the highly reflective layer between the IOS emanates is of critical importance for visual and photoreceptor function. Further research is warranted to determine whether this may be useful as an objective marker of progression of retinal degeneration in patients with RP.

EVALUATION OF THE EVOLVING STRESS FIELD OF THE YELLOWSTONE VOLCANIC PLATEAU FROM 1988 TO 2010 FROM EARTHQUAKE FIRST MOTIONS INVERSION

Within the Yellowstone National Park, Wyoming, the silicic Yellowstone volcanic field is one of the most active volcanic systems all over the world. Although the last rhyolite eruption occurred around 70,000 years ago, Yellowstone is still believed to be volcanically active, due to high hydrothermal and seismic activity. The earthquake data used in this study cover the period of time between 1988 and 2010. Earthquake relocations and a set of 369 well-constrained, double-couple, focal mechanism solutions were computed. Events were grouped according to location and time to investigate trends in faulting. The majority of the events has oblique, normal-faulting solutions. The overall direction of extension throughout the 0.64 Ma Yellowstone caldera looks nearly ENE, consistently with the direction of alignments of volcanic vents within the caldera, but detailed study revealed spatial and temporal variations. Stress-field solutions for different areas and time periods were calculated from earthquake focal mechanism inversion. A well-resolved rotation of σ3 was found, from NNE-SSW near the Hebgen Lake fault zone, to ENE-WSW near Norris Junction. In particular, the σ3 direction changed throughout the years in the Norris Junction area, from being ENE-WSW, as calculated in the study by Waite and Smith (2004), to NNE-SSW, while the other σ3 directions are mostly unchanged over time. The Yellowstone caldera was subject to periods of net uplift and subsidence over the past century, explained in previous studies as caused by expanding or contracting sills, at different depths. Based on the models used to explain these deformation periods, we investigated the relationship between variability in aseismic deformation and seismic activity and faulting styles. Focal mechanisms and P and T axes were divided into temporal and depth intervals, in order to identify spatial or temporal trends in deformation. The presence of “chocolate tablet” structures, with composite dilational faults, was identified in many stages of the deformation history both in the Norris Geyser Basin area and inside the caldera. Strike-slip component movement was found in a depth interval below a contracting sill, indicating the movement of magma towards the caldera.