Monte Carlo-Simulationen zum Adsorptionsverhalten von Homo- und Copolymerlösungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit demAdsorptionsverhalten von Homo- und Blockopolymeren anglatten Wänden im guten Lösungsmittel. Zur Modellierung wirddabei ein vergröbertes Kugel-Feder-Modell benutzt, das diePolymere als Kette von effektiven Monomeren auffasst.Benachbarte Monomere einer Kette werden durch einBindungspotential aneinander gekoppelt; zusätzlich wird eineVolumenausschlusswechselwirkung zwischen allen Monomeren derLösung berücksichtigt. Das Lösungsmittel wird dabei implizitdurch diese effektiven Potentiale berücksichtigt, wobei dieLösungsmittelqualität über die Temperatur geregelt wird.Während das System in z-Richtung durch zwei ebene Wändebegrenzt wird, von denen eine attraktiv mit den Monomerenwechselwirkt, werden in x- und y-Richtung periodischeRandbedingungen vorgegeben. Die Bewegung der Polymereerfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im räumlichenKontinuum, welche auf (großkanonischen) Configurational BiasMonte Carlo-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungenund Reptationsbewegungen basieren.Über verschiedene Auswertemethoden werden anhand vonEinzelkettensimulationen die (modellabhängige)Adsorptionsschwelle - welche durch Simualtionen derAdsorption aus der Lösung bestätigt wird - sowie der(universelle) Crossoverexponent - dessen gefundener Wertsehr gut mit den neusten analytischen Berechnungenübereinstimmt - bestimmt. Bei der Simulation derBlockcopolymere bilden sich bei niedrigerOberflächenbelegungsdichte pilzartige Konformationen('mushroom'-Bereich), bei hoher OberflächenbelegungsdichtePolymerbürsten ('brush'-Bereich). Die theoretischenVorhersagen für den jeweiligen Bereich werden von denSimulationen im Wesentlichen gut wiedergegeben.

Computer-Simulationen zur Strukturbildung von einzelnen Polymerketten

In dieser Arbeit wurden die Phasenübergänge einer einzelnen Polymerkette mit Hilfe der Monte Carlo Methode untersucht. Das Bondfluktuationsmodell wurde zur Simulation benutzt, wobei ein attraktives Kastenpotential zwischen allen Monomeren der Polymerkette gewirkt hat. Drei Arten von Bewegungen sind eingeführt worden, um die Polymerkette richtig zu relaxieren. Diese sind die Hüpfbewegung, die Reptationsbewegung und die Pivotbewegung. Um die Volumenausschlußwechselwirkung zu prüfen und um die Anzahl der Nachbarn jedes Monomers zu bestimmen ist ein hierarchischer Suchalgorithmus eingeführt worden. Die Zustandsdichte des Modells ist mittels des Wang-Landau Algorithmus bestimmt worden. Damit sind thermodynamische Größen berechnet worden, um die Phasenübergänge der einzelnen Polymerkette zu studieren. Wir haben zuerst eine freie Polymerkette untersucht. Der Knäuel-Kügelchen Übergang zeigt sich als ein kontinuierlicher Übergang, bei dem der Knäuel zum Kügelchen zusammenfällt. Der Kügelchen-Kügelchen Übergang bei niedrigeren Temperaturen ist ein Phasenübergang der ersten Ordnung, mit einer Koexistenz des flüssigen und festen Kügelchens, das eine kristalline Struktur hat. Im thermodynamischen Limes sind die Übergangstemperaturen identisch. Das entspricht einem Verschwinden der flüssigen Phase. In zwei Dimensionen zeigt das Modell einen kontinuierlichen Knäuel-Kügelchen Übergang mit einer lokal geordneten Struktur. Wir haben ferner einen Polymermushroom, das ist eine verankerte Polymerkette, zwischen zwei repulsiven Wänden im Abstand D untersucht. Das Phasenverhalten der Polymerkette zeigt einen dimensionalen crossover. Sowohl die Verankerung als auch die Beschränkung fördern den Knäuel-Kügelchen Übergang, wobei es eine Symmetriebrechung gibt, da die Ausdehnung der Polymerkette parallel zu den Wänden schneller schrumpft als die senkrecht zu den Wänden. Die Beschränkung hindert den Kügelchen-Kügelchen Übergang, wobei die Verankerung keinen Einfluss zu haben scheint. Die Übergangstemperaturen im thermodynamischen Limes sind wiederum identisch im Rahmen des Fehlers. Die spezifische Wärme des gleichen Modells aber mit einem abstoßendem Kastenpotential zeigt eine Schottky Anomalie, typisch für ein Zwei-Niveau System.

Über die Funktion und Struktur der Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus

Für die Aufklärung der chemisch anspruchsvollen Monophenolase-Reaktion von Tyrosinasen wurde ein System entwickelt, um das Zielprotein aus dem Bakterium Streptomyces antibioticus in großen Mengen und mit hoher Reinheit zu isolieren. Zudem konnte ein hypothetischer Reaktionsmechanismus für die Monophenolase- und die Diphenolase-Aktivität der Tyrosinase formuliert werden. Die beiden Reaktionen der S. antibioticus-Tyrosinase wurden kinetisch analysiert und auf diesem Weg die Aktivität des Enzyms mit jener der sehr gut charakterisierten Tyrosinase aus dem Pilz Agaricus bisporus verglichen. Hierbei wurden signifikante Unterschiede festgestellt, die auf die verschiedenartigen Proteinstrukturen zurückgeführt wurden. Auch konnte gezeigt werden, dass einige sekundäre Pflanzenstoffe, die vor allem in Wein zu finden sind und in ihrer chemischen Struktur den Tyrosinasesubstraten ähnlich sind, die Aktivität dieses Enzyms maßgeblich beeinflussen. Das O2-Transportprotein Hämocyanin aus der Vogelspinne Eurypelma californicum, das wie die Tyrosinase zu der Familie der Typ-3-Kupferproteine gehört, ist nach chemischer Aktivierung zur Phenoloxidase zur enzymatischen Quervernetzung von Proteinen fähig. Die Tatsache, dass diese Quervernetzung auch das Hämocyanin selbst betrifft, sowie der erfolgreiche Nachweis von Hämocyanin in der Kutikula des genannten Organismus, legen die Vermutung nahe, dass die physiologische Funktion von Hämocyanin im Rahmen der Sklerotisierung des Exoskeletts in einer aktiven und passiven Beteiligung an Gerbungsprozessen im Integument besteht.

Early steps in ventral nerve cord development in chelicerates and myriapods and formation of brain compartments in spiders

The central point of this work is the investigation of neurogenesis in chelicerates and myriapods. By comparing decisive mechanisms in neurogenesis in the four arthropod groups (Chelicerata, Crustacea, Insecta, Myriapoda) I was able to show which of these mechanisms are conserved and which developmental modules have diverged. Thereby two processes of embryonic development of the central nervous system were brought into focus. On the one hand I studied early neurogenesis in the ventral nerve cord of the spiders Cupiennius salei and Achaearanea tepidariorum and the millipede Glomeris marginata and on the other hand the development of the brain in Cupiennius salei.rnWhile the nervous system of insects and crustaceans is formed by the progeny of single neural stem cells (neuroblasts), in chelicerates and myriapods whole groups of cells adopt the neural cell fate and give rise to the ventral nerve cord after their invagination. The detailed comparison of the positions and the number of the neural precursor groups within the neuromeres in chelicerates and myriapods showed that the pattern is almost identical which suggests that the neural precursors groups in these arthropod groups are homologous. This pattern is also very similar to the neuroblast pattern in insects. This raises the question if the mechanisms that confer regional identity to the neural precursors is conserved in arthropods although the mode of neural precursor formation is different. The analysis of the functions and expression patterns of genes which are known to be involved in this mechanism in Drosophila melanogaster showed that neural patterning is highly conserved in arthropods. But I also discovered differences in early neurogenesis which reflect modifications and adaptations in the development of the nervous systems in the different arthropod groups.rnThe embryonic development of the brain in chelicerates which was investigated for the first time in this work shows similarities but also some modifications to insects. In vertebrates and arthropods the adult brain is composed of distinct centres with different functions. Investigating how these centres, which are organised in smaller compartments, develop during embryogenesis was part of this work. By tracing the morphogenetic movements and analysing marker gene expressions I could show the formation of the visual brain centres from the single-layered precheliceral neuroectoderm. The optic ganglia, the mushroom bodies and the arcuate body (central body) are formed by large invaginations in the peripheral precheliceral neuroectoderm. This epithelium itself contains neural precursor groups which are assigned to the respective centres and thereby build the three-dimensional optical centres. The single neural precursor groups are distinguishable during this process leading to the assumption that they carry positional information which might subdivide the individual brain centres into smaller functional compartments.rn

Klonale Analysen im embryonalen Gehirn von Drosophila mit besonderem Fokus auf die Entwicklung der Pilzkörper

Eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Spezifizierungsmechanismen unterschiedlicher Zelltypen im embryonalen Gehirn ist die detaillierte Kenntnis des neuroektodermalen Ursprungs seiner neuralen Stammzellen (Neuroblasten, NB), sowie der Morphologie und zellulären Komposition der daraus hervorgehenden Zellstammbäume (ZSBe). In der vorliegenden Arbeit wurde die Entstehung und Topologie von 21 embryonalen ZSBen im anteriorsten Gehirnteil, dem Protocerebrum, charakterisiert, mit besonderem Fokus auf solche ZSBe, die den Pilzkörper konstituieren. Pilzkörper sind prominente, paarige Neuropilzentren, die eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung olfaktorischer Informationen, beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung spielen. In dieser Arbeit konnte erstmalig die Embryonalentwicklung der Pilzkörper ab dem Zeitpunkt der Entstehung ihrer NBen im procephalen Neuroektoderm (pNE), bis hin zum funktionellen Gehirnzentrum in der frühen Larve auf Ebene individueller ZSBe bzw. einzelner Neurone beschrieben werden. Mittels der klonalen Di-Markierungstechnik konnte ich zeigen, dass die vier NBen der Pilzkörper (PKNBen) jeder Gehirnhemisphäre innerhalb des NE aus dem ventralen Bereich der mitotischen Domäne B (δB) hervorgehen. Ein in diesem Bereich liegendes proneurales Feld beherbergt etwa 10-12 Zellen, die alle das Potential haben sich zu PKNBen zu entwickeln. Des Weiteren zeigen diese Untersuchungen, dass die PKNBen (und weitere NBen der δB) aus benachbarten NE-Zellen hervorgehen. Dieser Befund impliziert, dass der Mechanismus der lateralen Inhibition in diesem Bereich des NE keine Rolle spielt. Weiterhin stellte sich heraus, dass jeder PKNB eine ihm eigene Position im sich entwickelnden Pilzkörperkortex besetzt und eine spezifische Kombination der Transkriptionsfaktoren Dachshund, Eyeless und Retinal homeobox exprimiert. Dadurch konnte jeder der vier PKNBen in den betreffenden frühembryonalen NB-Karten einem der ca. 105 NBen pro Gehirnhemisphäre zugeordnet werden. Die PKNBen bringen individuelle ZSBe hervor, die Pilzkörper-intrinsische γ-Neurone beinhalten, aber auch jeweils charakteristische Sets an Interneuronen, die nicht am Aufbau des Pilzkörpers beteiligt sind. Diese verschiedenen Neuronentypen entstehen in einer zeitlichen Abfolge, die für jeden PKNBen spezifisch ist. Ihre embryonalen ZSBe sind aber nicht nur durch individuelle Sets an frühgeborenen ni-Neuronen charakterisiert, sondern auch durch spezifische Unterschiede in der Anzahl ihrer γ-Neurone, welche jedoch, wie ich zeigen konnte, nicht durch Apoptose reguliert wird. Weiterhin konnte ich zeigen, dass γ-Neurone, in einer PKNB Klon-abhängigen Weise, spezifische Unterschiede in der räumlich-zeitlichen Innervation des Pedunkels, der Calyx und der Loben aufweisen. Im Weiteren wurde die Expression verschiedener molekularer Marker in diesen ZSBen charakterisiert, u.a. die Expression verschiedener Gal4-Fliegenstämme, und solcher Transkriptionsfaktoren, die eine wichtige Rolle bei der temporären Spezifizierung im VNS spielen. So werden hb, Kr, pdm1 auch in Nachkommenzellen der PKNBen exprimiert und haben möglicherweise eine Funktion bei ihrer temporären Spezifizierung. Diese Arbeit gibt auch erstmalig Einblick in die vollständige spätembryonale/frühlarvale Morphologie anderer protocerebraler Gehirnzellstammbäume aus δB und δ1. Die Beschreibungen dieser ZSBe beinhalten Angaben zu deren Zellzahl, Zelltypen, der Lage der ZSBe im Gehirn, axonalen/dendritischen Projektionsmustern sowie dem Entstehungsort des NBen.

Physiologie eines erlernten Körpermodells in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Dissertation wird ein Körpergrößengedächtnis untersucht. Es wird dargestellt, wie diese Information über die Reichweite der Fliege beim Lückenklettern unter kotrollierten Umweltbedingungen erworben und prozessiert wird. Zusätzlich wird geklärt, welche biochemischen Signale benötigt werden, um daraus ein lang anhalten-des Gedächtnis zu formen. Adulte Fliegen sind in der Lage, ihre Körperreichweite zu lernen. Naive Fliegen, die in der Dunkelheit gehalten wurden, versuchen erfolglos, zu breite Lücken zu überqueren, während visuell erfahrene Fliegen die Kletterversuche an ihre Körpergröße anpassen. Erfahrene kleine Fliegen scheinen Kenntnis ihres Nachteils zu haben. Sie kehren an Lückenbreiten um, welche ihre größeren Artgenos-sen durchaus noch versuchen. Die Taufliegen lernen die größenabhängige Reichweite über die visuelle Rückmeldung während des Laufens (aus Parallaxenbewegung). Da-bei reichen 15 min in strukturierter, heller Umgebung aus. Es gibt keinen festgelegten Beginn der sensiblen Phase. Nach 2 h ist das Gedächtnis jedoch konsolidiert und kann durch Stress nicht mehr zerstört oder durch sensorische Eingänge verändert werden. Dunkel aufgezogene Fliegen wurden ausgewählten Streifenmustern mit spezifischen Raumfrequenzen ausgesetzt. Nur die Insekten, welche mit einem als „optimal“ klassi-fizierten Muster visuell stimuliert wurden, sind in der Lage, die Körperreichweite einzu-schätzen, indem die durchschnittliche Schrittlänge in Verbindung mit der visuellen Wahrnehmung gebracht wird. Überraschenderweise ist es sogar mittels partieller Kompensation der Parallaxen möglich, naive Fliegen so zu trainieren, dass sie sich wie kleinere Exemplare verhalten. Da die Experimente ein Erlernen der Körperreich-weite vermuten lassen, wurden lernmutante Stämme beim Lückenüberwinden getes-tet. Sowohl die Ergebnisse von rut1- und dnc1-Mutanten, als auch das defizitäre Klet-tern von oc1-Fliegen ließ eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade in der Protocerebralbrücke (PB) vermuten. Rettungsexperimente der rut1- und dnc1-Hinter-gründe kartierten das Gedächtnis in unterschiedliche Neuronengruppen der PB, wel-che auch für die visuelle Ausrichtung des Kletterns benötigt werden. Erstaunlicher-weise haben laterale lokale PB-Neurone und PFN-Neurone (Projektion von der PB über den fächerförmigen Körper zu den Noduli) verschiedene Erfordernisse für cAMP-Signale. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass hohe Mengen an cAMP/PKA-Signalen in den latero-lateralen Elementen der PB benötigt werden, wäh-rend kolumnäre PFN-Neurone geringe oder keine Mengen an cAMP/PKA erfordern. Das Körperreichweitengedächtnis ist vermutlich das am längsten andauernde Ge-dächtnis in Drosophila. Wenn es erst einmal konsolidiert ist hält es länger als drei Wo-chen.rnAußerdem kann die Fruchtliege Drosophila melanogaster trainiert werden, die kom-plexe motorische Aufgabe des Lückenkletterns zu optimieren. Die trainierten Fliegen werden erfolgreicher und schneller beim Überqueren von Lücken, welche größer sind als sie selbst. Dabei existiert eine Kurzeitkomponente (STM), die 40 min nach dem ersten Training anhält. Nach weiteren vier Trainingsdurchläufen im Abstand von 20 min wird ein Langzeitgedächtnis (LTM) zum Folgetag geformt. Analysen mit Mutati-onslinien wiesen eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade an dieser Ge-dächtnisform auf. Rettungsexperimente des rut2080-Hintergrunds kartierten sowohl das STM, als auch das LTM in PFN-Neuronen. Das STM kann aber ebenso in den alpha- und beta- Loben der Pilzkörper gerettet werden.rnLetztendlich sind wildtypische Fliegen sogar in der Lage, sich an einen Verlust eines Mittelbeintarsuses und dem einhergehenden Fehlen des Adhäsionsorgans am Tarsusende anzupassen. Das Klettern wird zwar sofort schlechter, erholt sich aber bis zum Folgetag wieder auf ein normales Niveau. Dieser neue Zustand erfordert ein Ge-dächtnis für die physischen Möglichkeiten, die nur durch plastische Veränderungen im Nervensystem des Insekts erreicht werden können.

Early effects of carbachol on the morphology of motor endplates of mammalian skeletal muscle fibers

Long-term disturbance of the calcium homeostasis of motor endplates (MEPs) causes necrosis of muscle fibers. The onset of morphological changes in response to this disturbance, particularly in relation to the fiber type, is presently unknown. Omohyoid muscles of mice were incubated for 1-30 minutes in 0.1 mM carbachol, an acetylcholine agonist that causes an inward calcium current. In these muscles, the structural changes of the sarcomeres and the MEP sarcoplasm were evaluated at the light- and electron-microscopic level. Predominantly in type I fibers, carbachol incubation resulted in strong contractures of the sarcomeres underlying the MEPs. Owing to these contractures, the usual beret-like form of the MEP-associated sarcoplasm was deformed into a mushroom-like body. Consequently, the squeezed MEPs partially overlapped the adjacent muscle fiber segments. There are no signs of contractures below the MEPs if muscles were incubated in carbachol in calcium-free Tyrode's solution. Carbachol induced inward calcium current and produced fiber-type-specific contractures. This finding points to differences in the handling of calcium in MEPs. Possible mechanisms for these fiber-type-specific differences caused by carbachol-induced calcium entry are assessed.

Extremes of Lineage Plasticity in the Drosophila Brain

An often-overlooked aspect of neural plasticity is the plasticity of neuronal composition, in which the numbers of neurons of particular classes are altered in response to environment and experience. The Drosophila brain features several well-characterized lineages in which a single neuroblast gives rise to multiple neuronal classes in a stereotyped sequence during development. We find that in the intrinsic mushroom body neuron lineage, the numbers for each class are highly plastic, depending on the timing of temporal fate transitions and the rate of neuroblast proliferation. For example, mushroom body neuroblast cycling can continue under starvation conditions, uncoupled from temporal fate transitions that depend on extrinsic cues reflecting organismal growth and development. In contrast, the proliferation rates of antennal lobe lineages are closely associated with organismal development, and their temporal fate changes appear to be cell-cycle dependent, such that the same numbers and types of uniglomerular projection neurons innervate the antennal lobe following various perturbations. We propose that this surprising difference in plasticity for these brain lineages is adaptive, given their respective roles as parallel processors versus discrete carriers of olfactory information.

Extremes of Lineage Plasticity in the Drosophila Brain

An often-overlooked aspect of neural plasticity is the plasticity of neuronal composition, in which the numbers of neurons of particular classes are altered in response to environment and experience. The Drosophila brain features several well-characterized lineages in which a single neuroblast gives rise to multiple neuronal classes in a stereotyped sequence during development [1]. We find that in the intrinsic mushroom body neuron lineage, the numbers for each class are highly plastic, depending on the timing of temporal fate transitions and the rate of neuroblast proliferation. For example, mushroom body neuroblast cycling can continue under starvation conditions, uncoupled from temporal fate transitions that depend on extrinsic cues reflecting organismal growth and development. In contrast, the proliferation rates of antennal lobe lineages are closely associated with organismal development, and their temporal fate changes appear to be cell cycle-dependent, such that the same numbers and types of uniglomerular projection neurons innervate the antennal lobe following various perturbations. We propose that this surprising difference in plasticity for these brain lineages is adaptive, given their respective roles as parallel processors versus discrete carriers of olfactory information.

THE ROLE OF BROAD IN DETERMINING NEURONAL COMPOSITION IN THE DROSOPHILA BRAIN

To elucidate the individual roles of the four Broad-Complex (BR-C) isoforms, Z1-Z4, on neuronal composition in the mushroom body, I undertook a series of overexpression experiments and created tools for knockdown experiments. Specifically, I imaged and analyzed Drosophila brains from earlier experiments in which BR-C isoforms Z1 and Z3 were individually overexpressed in the MB. The knockdown experiments required the creation of the molecular tools necessary for isoform-specific RNA interference (RNAi). For these I performed PCR to amplify DNA sequences unique to each isoform and inserted those into the pWIZ vector, which will permit expression of loopless hairpin double stranded RNA to trigger the RNAi pathway in the fly.

Glutamic acid inducing kidney stone biomimicry by a brushite/gelatin composite

Brushite is a well known precursor of calcium oxalate monohydrate, the main mineral found in kidney stones having a monoclinic crystal structure. Here, we present a new method for biomimicking brushite using a single tube diffusion technique for gel growth. Brushite crystals were grown by precipitation of calcium hydrogen phosphate hydrate in a gelatin/glutamic acid network. They are compared with those produced in gel in the presence of urea. The aggregates were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (IR) and thermal gravimetric analysis (TGA). SEM revealed a change of morphology by glutamic acid from spherulitic growth to plate-shaped and mushroom-like forms consisting of crystal plates and highly ordered prismatic needles, respectively. Furthermore, brushite crystals grown in a gelatin/glutamic acid/urea network showed needle-shaped morphology being different from other brushite growth forms. The XRD method showed that cell parameters for brushite specimens were slightly larger than those of the American Mineral Society reference structure. The mushroom-like biomimetic composite bears a strong resemblance to the brushite kidney stones which may open up new future treatment options for crystal deposition diseases. Hence, suitable diets from glutamic acid rich foods could be recommended to inhibit and control brushite kidney stones.

Unraveling environmental drivers of a recent increase in Swiss fungi fruiting

Disentangling biotic and abiotic drivers of wild mushroom fruiting is fraught with difficulties because mycelial growth is hidden belowground, symbiotic and saprotrophic supply strategies may interact, and myco-ecological observations are often either discontinuous or too short. Here, we compiled and analyzed 115 417 weekly fungal fruit body counts from permanent Swiss inventories between 1975 and 2006. Mushroom fruiting exhibited an average autumnal delay of 12 days after 1991 compared with before, the annual number of fruit bodies increased from 1801 to 5414 and the mean species richness doubled from 10 to 20. Intra- and interannual coherency of symbiotic and saprotrophic mushroom fruiting, together with little agreement between mycorrhizal yield and tree growth suggests direct climate controls on fruit body formation of both nutritional modes. Our results contradict a previously reported declining of mushroom harvests and propose rethinking the conceptual role of symbiotic pathways in fungi-host interaction. Moreover, this conceptual advancement may foster new cross-disciplinary research avenues, and stimulate questions about possible amplifications of the global carbon cycle, as enhanced fungal production in moist mid-latitude forests rises carbon cycling and thus increases greenhouse gas exchanges between terrestrial ecosystems and the atmosphere.

Structural conservations and diversities of dsRNA viruses: Structural studies of the cytoplasmic polyhedrosis virus by electron cryomicroscopy and 3D reconstruction

The Reoviridae virus family is a group of economically and pathologically important viruses that have either single-, double-, or triple-shelled protein layers enclosing a segmented double stranded RNA genome. Each virus particle in this family has its own viral RNA dependent RNA polymerase and the enzymatic activities necessary for the mature RNA synthesis. Based on the structure of the inner most cores of the viruses, the Reoviridae viruses can be divided into two major groups. One group of viruses has a smooth surfaced inner core, surrounded by complete outer shells of one or two protein layers. The other group has an inner core decorated with turrets on the five-fold vertices, and could either completely lack or have incomplete outer protein layers. The structural difference is one of the determinant factors for their biological differences during the infection. ^ Cytoplasmic polyhedrosis virus (CPV) is a single-shelled, turreted virus and the structurally simplest member in Reoviridae. It causes specific chronic infections in the insect gut epithelial cells. Due to its wide range of insect hosts, CPV has been engineered as a potential insecticide for use in fruit and vegetable farming. Its unique structural simplicity, unparalleled capsid stability and ease of purification make CPV an ideal model system for studying the structural basis of dsRNA virus assembly at the highest possible resolution by electron cryomicroscopy (cryoEM) and three-dimensional (3D) reconstruction. ^ In this thesis work, I determined the first 3D structure of CPV capsids using 100 kV cryoEM. At an effective resolution of 17 Å, the full capsid reveals a 600-Å diameter, T = 1 icosahedral shell decorated with A and B spikes at the 5-fold vertices. The internal space of the empty CPV is unoccupied except for 12 mushroom-shaped densities that are attributed to the transcriptional enzyme complexes. The inside of the full capsid is packed with icosahedrally-ordered viral genomic RNA. The interactions of viral RNA with the transcriptional enzyme complexes and other capsid proteins suggest a mechanism for RNA transcription and subsequent release. ^ Second, the interactions between the turret proteins (TPs) and the major capsid shell protein (CSPs) have been identified through 3D structural comparisons of the intact CPV capsids with the spikeless CPV capsids, which were generated by chemical treatments. The differential effects of these chemical treatment experiments also indicated that CPV has a significantly stronger structural integrity than other dsRNA viruses, such as the orthoreovirus subcores, which are normally enclosed within outer protein shells. ^ Finally, we have reconstructed the intact CPV to an unprecendented 8 Å resolution from several thousand of 400kV cryoEM images. The 8 Å structure reveals interactions among the 120 molecules of each of the capsid shell protein (CSP), the large protrusion protein (LPP), and 60 molecules of the turret protein (TP). A total of 1980 α-helices and 720 β-sheets have been identified in these capsid proteins. The CSP structure is largely conserved, with the majority of the secondary structures homologous to those observed in the x-ray structures of corresponding proteins of other reoviruses, such as orthoreovirus and bluetongue virus. The three domains of TP are well positioned to play multifunctional roles during viral transcription. The completely non-equivalent interactions between LPP and CSP and those between the anchoring domain of TP and CSP account for the unparalleled stability of this structurally simplest member of the Reoviridae. ^

Molecular and isotopic properties of gases from ODP Holes of ODP Leg 204

We report and discuss molecular and isotopic properties of hydrate-bound gases from 55 samples and void gases from 494 samples collected during Ocean Drilling Program (ODP) Leg 204 at Hydrate Ridge offshore Oregon. Gas hydrates appear to crystallize in sediments from two end-member gas sources (deep allochthonous and in situ) as mixtures of different proportions. In an area of high gas flux at the Southern Summit of the ridge (Sites 1248-1250), shallow (0-40 m below the seafloor [mbsf]) gas hydrates are composed of mainly allochthonous mixed microbial and thermogenic methane and a small portion of thermogenic C2+ gases, which migrated vertically and laterally from as deep as 2- to 2.5-km depths. In contrast, deep (50-105 mbsf) gas hydrates at the Southern Summit (Sites 1248 and 1250) and on the flanks of the ridge (Sites 1244-1247) crystallize mainly from microbial methane and ethane generated dominantly in situ. A small contribution of allochthonous gas may also be present at sites where geologic and tectonic settings favor focused vertical gas migration from greater depth (e.g., Sites 1244 and 1245). Non-hydrocarbon gases such as CO2 and H2S are not abundant in sampled hydrates. The new gas geochemical data are inconsistent with earlier models suggesting that seafloor gas hydrates at Hydrate Ridge formed from gas derived from decomposition of deeper and older gas hydrates. Gas hydrate formation at the Southern Summit is explained by a model in which gas migrated from deep sediments, and perhaps was trapped by a gas hydrate seal at the base of the gas hydrate stability zone (GHSZ). Free gas migrated into the GHSZ when the overpressure in gas column exceeded sealing capacity of overlaying sediments, and precipitated as gas hydrate mainly within shallow sediments. The mushroom-like 3D shape of gas hydrate accumulation at the summit is possibly defined by the gas diffusion aureole surrounding the main migration conduit, the decrease of gas solubility in shallow sediment, and refocusing of gas by carbonate and gas hydrate seals near the seafloor to the crest of the local anticline structure.