Laser Driven Nuclear Physics at ELI–NP

High power lasers have proven being capable to produce high energy γ-rays, charged particles and neutrons, and to induce all kinds of nuclear reactions. At ELI, the studies with high power lasers will enter for the first time into new domains of power and intensities: 10 PW and 10^23 W/cm^2. While the development of laser based radiation sources is the main focus at the ELI-Beamlines pillar of ELI, at ELI-NP the studies that will benefit from High Power Laser System pulses will focus on Laser Driven Nuclear Physics (this TDR, acronym LDNP, associated to the E1 experimental area), High Field Physics and QED (associated to the E6 area) and fundamental research opened by the unique combination of the two 10 PW laser pulses with a gamma beam provided by the Gamma Beam System (associated to E7 area). The scientific case of the LDNP TDR encompasses studies of laser induced nuclear reactions, aiming for a better understanding of nuclear properties, of nuclear reaction rates in laser-plasmas, as well as on the development of radiation source characterization methods based on nuclear techniques. As an example of proposed studies: the promise of achieving solid-state density bunches of (very) heavy ions accelerated to about 10 MeV/nucleon through the RPA mechanism will be exploited to produce highly astrophysical relevant neutron rich nuclei around the N~126 waiting point, using the sequential fission-fusion scheme, complementary to any other existing or planned method of producing radioactive nuclei.

The studies will be implemented predominantly in the E1 area of ELI-NP. However, many of them can be, in a first stage, performed in the E5 and/or E4 areas, where higher repetition laser pulses are available, while the harsh X-ray and electromagnetic pulse (EMP) environments are less damaging compared to E1.

A number of options are discussed through the document, having an important impact on the budget and needed resources. Depending on the TDR review and subsequent project decisions, they may be taken into account for space reservation, while their detailed design and implementation will be postponed.

The present TDR is the result of contributions from several institutions engaged in nuclear physics and high power laser research. A significant part of the proposed equipment can be designed, and afterwards can be built, only in close collaboration with (or subcontracting to) some of these institutions. A Memorandum of Understanding (MOU) is currently under preparation with each of these key partners as well as with others that are interested to participate in the design or in the future experimental program.

High chromosome variability and the presence of multivalent associations in buthid scorpions

In this study, we investigated the mitotic and meiotic chromosomes of 11 Buthidae scorpion species, belonging to three genera (Ananteris, Rhopalurus and Tityus), to obtain detailed knowledge regarding the mechanisms underlying the intraspecific and/or interspecific diversity of chromosome number and the origin of the complex chromosome associations observed during meiosis. The chromosomes of all species did not exhibit a localised centromere region and presented synaptic and achiasmatic behaviour during meiosis I. Spermatogonial and/or oogonial metaphase cells of these buthids showed diploid numbers range from 2n = 6 to 2n = 28. In most species, multivalent chromosome associations were observed in pachytene and postpachytene nuclei. Moreover, intraspecific variability associated with the presence or absence of chromosome chains and the number of chromosomes in the complex meiotic configurations was observed in some species of these three genera. Silver-impregnated cells revealed that the number and location of nucleolar organiser regions (NORs) remained unchanged despite extensive chromosome variation; notably, two NORs located on the terminal or subterminal chromosome regions were commonly observed for all species. C-banded and fluorochrome-stained cells showed that species with conspicuous blocks of heterochromatin exhibited the lowest rate of chromosomal rearrangement. Based on the investigation of mitotic and meiotic cells, we determined that the intraspecific variability occurred as a consequence of fission/fusion-type chromosomal rearrangements in Ananteris and Tityus species and reciprocal translocation in Rhopalurus species. Furthermore, we verified that individuals presenting the same diploid number differ in structural chromosome organisation, giving rise to intraspecific differences of chromosome association in meiotic cells (bivalent-like elements or chromosome chains). © 2013 Springer Science+Business Media Dordrecht.

Ecologia e comportamento do Cuxiú-Preto (Chiropotes Satanas) na paisagem fragmentada da Amazônia Oriental

Cuxiús são primatas frugívoros especializados na predação de sementes. O cuxiú-preto (Chiropotes satanas), atualmente ameaçado de extinção, é endêmico de uma área da Amazônia oriental brasileira bastante povoada e desmatada. O principal objetivo deste estudo foi pesquisar o comportamento e a ecologia de dois grupos de cuxiús-pretos vivendo sob diferentes graus de fragmentação de hábitat, de maneira a entender como parâmetros ecológicos nestes diferentes contextos influenciam estratégias comportamentais. Além disso, o estudo procurou identificar fatores que limitam a viabilidade a longo prazo do cuxiú-preto e coletar informações que possam contribuir com planos de manejo e conservação. O estudo foi realizado na margem direita do rio Tocantins, no reservatório de Tucuruí, Estado do Pará, Brasil (415'S, 4931'W). Dois grupos de cuxiús-pretos foram estudados: um (denominado T4) em um grande fragmento de floresta situado na margem do reservatório (1.300 ha, 39 indivíduos) e outro numa pequena ilha (19,4 ha, oito indivíduos) coberta por floresta. O comportamento dos dois grupos foi monitorado durante 12 meses (1.153 horas de observação) utilizando metodologias de amostragem por varredura e de todas as ocorrências por 4 a 5 dias consecutivos por mês por grupo. Além de coletar dados sobre seus orçamentos de atividades, todos os recursos alimentares utilizados foram documentados, os percursos diários anotados e as interações sociais intra e interespécies registradas. Transecções botânicas (10 x 100 ha) cobrindo um hectare no sítio T4 e 0,5 ha no sítio Ilha foram estabelecidas e uma subamostra de árvores (DAP ≥ 10 cm) e cipós (DAP ≥ 5 cm) foi marcada e medida para um inventário florístico e para a coleta de dados fenológicos que ocorreu em intervalos de 30 dias durante 14 meses. Os dois grupos diferiram em todos os aspectos de seu comportamento e ecologia. O tempo empregado em diferentes atividades variou significativamente entre eles. O deslocamento (35,4%) foi responsável pela maior proporção do orçamento de atividades anual do grupo T4, enquanto o grupo Ilha dedicou mais tempo para a alimentação (30,0%). Interações sociais foram responsáveis por uma proporção relativamente grande do orçamento de atividades dos dois grupos (T4 8,5%; Ilha 15,2%). Ao longo do periodo do estudo ambos os grupos consumiram um grande número de diferentes espécies vegetais (173 grupo T4; 132 grupo Ilha; 240 ambos) e suas dietas variaram significantemente tanto em termos de itens consumidos quanto em composição taxonômica, sendo que a dieta do grupo T4 foi mais diversa. Ambos os grupos despenderam a maior parte de seu tempo consumindo sementes (T4 54,0%; Ilha 59,9%), apesar de sua dieta também incluir outros itens tais como polpa de frutos (T4 25,0%; Ilha 13,7%), flores (T4 12,3%; Ilha 17,4%) e, em menor grau, medula de galhos e artrópodes. O grupo T4 utilizou uma área de 98,6 ha, enquanto os membros do grupo Ilha utilizaram 17,2 ha. O uso do espaço e o tamanho do percurso diário (T4 4025 m 994 m; Island 2807 m 289 m) variaram entre os grupos e estiveram ligados, no grupo T4, à variação no tamanho do grupo ao longo do ano resultante de seu sistema de organização social de fissão-fusão. Ao contrário, o grupo Ilha foi mais coeso. As diferenças na ecologia e comportamento dos dois grupos estiveram ligadas ás diferenças em seus respectivos hábitats. O tamanho dos sítios foi importante mas também o foi a variação na disponibilidade de alimentos determinada pela composição taxonômica da vegetação dos mesmos. Resultados do inventário florístico revelaram uma maior diversidade de espécies no sítio T4. No entanto importantes espécies alimentares estavam ausentes ou disponíveis em quantidades variáveis em ambos os sítios. Além do valor intrínseco do conhecimento sobre as características ecológicas do cuxiú-preto, o conhecimento detalhado acumulado neste estudo pode contribuir para a formulação de ações de conservação e planos de manejo, assim como para a identificação de fatores que limitam a viabilidade a longo prazo das populações remanescentes nas paisagens fragmentadas da Amazônia oriental.

Comparative cytogenetic analysis in the species Uroderma magnirostrum and U. bilobatum (cytotype 2n = 42) (Phyllostomidae, Stenodermatinae) in the Brazilian Amazon

The genus Uroderma includes two species: U. magnirostrum and U. bilobatum. These species are characterized by their high degree of karyotypic evolution, diverging from most other species of the subfamily Stenodermatinae, which have a lower degree of chromosomic evolution. The present study reports the first banding patterns of U. magnirostrum (G-, C-banding and Ag-NOR) and U. bilobatum (C-banding and Ag-NOR). The chromosomic data in conventional staining of U. magnirostrum (2n = 36, NF = 62) and U. bilobatum (cytotype 2n = 42, NF = 50) are equivalent to that described in the literature. When compared, chromosomal homeologies are found in both karyotypes, as well as differences, confirming that karyotypic evolution in the Uroderma genus is intense. Fission, fusion, inversion or translocation events are required to explain the karyotypic evolution of this genus. The comparison of karyotype, described here, to one of the species of the genus Artibeus (2n = 30/31), suggests that some chromosomic forms are apomorphic and shared between the two species of Uroderma. This confirms the monophyly of the enus, and that U. magnirostrum presents a more primitive karyotype when compared to U. bilobatum

Análise citogenética de duas espécies do gênero Hylaeamys (Rodentia: Cricetidae) por citogenética clássica e molecular

Os roedores formam uma das mais numerosas e antigas ordens da classe Mammalia. Na América do Sul, a ordem Rodentia compreende cerca de 42% das espécies de mamíferos, sendo que desta parcela mais de 50% pertencem a família Cricetidae, que inclui a subfamília Sigmodontinae. O gênero Hylaeamys está agrupado na tribo Oryzomyini e corresponde a um dos 10 novos gêneros propostos para espécies e grupos de espécies dentro de Oryzomys. Hylaeamys corresponde ao “grupo megacephalus”, sendo constituído pelas espécies H. acritus, H. laticeps, H. megacephalus, H. perenensis, H. oniscus, H. tatei e H. yunganus distribuídas na Venezuela, Trinidad, Guianas, Paraguai e no Brasil, em áreas de floresta tropical amazônica, mata atlântica e cerrado. Este trabalho visa analisar marcadores cromossômicos em duas espécies do gênero Hylaeamys, fornecendo dados que auxiliem na sua caracterização taxonômica e citogenética. Foram trabalhadas dezenove amostras de Hylaeamys megacephalus (HME) e quatro de Hylaeamys oniscus (HON). HME apresenta 2n=54 e HON, 2n=52. Os resultados obtidos por bandeamentos G, C e por hibridização in situ, com sondas de cromossomo total de Hylaeamys megacephalus permitiram determinar as características cromossômicas das espécies em estudo, além de permitir uma análise comparativa entre as mesmas e em relação a Cerradomys langguthi, observando assim suas homeologias e diferenças cariotípicas. As duas espécies de Hylaeamys diferem por um rearranjo tipo fusão/fissão cêntrica onde HON apresenta a associação 14/19 de HME. Esta associação é compartilhada com CLA com inversão (19/14/19). Este trabalho é um marco para estudos de filogenia cromossômica do gênero Hylaeamys.

O coatá-de-testa-branca (Ateles marginatus) do baixo Rio Tapajós, Pará: distribuição, abundância e conservação

O coatá-de-testa-branca, Ateles marginatus, é uma espécie de primata ameaçada de extinção segundo a UICN. Endêmica da Amazônia brasileira, este status deve-se a uma combinação de uma distribuição geográfica relativamente restrita e às crescentes pressões antrópicas dentro desta área. O presente estudo compreendeu a margem direita do baixo Rio Tapajós, centrado na rodovia BR-163 (Santarém-Cuiabá), região de intensa e antiga ocupação humana. O objetivo principal do estudo foi uma avaliação da distribuição e abundância de A. marginatus dentro desta área, e a análise dos fatores determinantes destas variáveis. Foram visitados 16 sítios, onde moradores foram entrevistados informalmente para a confirmação da presença ou ausência da espécie. Levantamentos populacionais de transecção linear foram realizados em oito sítios, representativos de diferentes graus de fragmentação de hábitat, com um percurso total de 697,6 km. Em dois sítios, agrupamentos de A. marginatus foram monitorados para a obtenção de dados sobre seu comportamento e ecologia. Os resultados indicam que a espécie é ausente de algumas áreas, incluindo lacunas naturais em sua distribuição e uma zona de extinção local, que parece estender até pelo menos 60 km a sul da cidade de Santarém. Um total de 23 espécies de mamíferos não-voadores foram registradas nos levantamentos populacionais, mas a presença de A. marginatus foi confirmada em apenas três sítios. O estudo indica que fragmentos isolados de floresta com menos de cem hectares não suportam populações de A. marginatus. No caso de fragmentos maiores, a presença e abundância da espécie parecem ser influenciadas mais diretamente por fatores antrópicos (caça e extração de madeira). Mesmo em floresta contínua, a espécie parece ser relativamente pouco abundante, mas semelhante a outras populações de Ateles na Amazônia brasileira. Dois grupos, um com oito membros e o outro com pelo menos vinte, foram identificados durante o monitoramento. Como em outros membros do gênero, a formação de subagrupamentos (fissão-fusão), uma proporção relativamente alta de fêmeas na população e uma dieta frugívora são observadas também em A. marginatus. O estudo deixa clara a situação crítica da espécie na região, frente à ocupação humana, e a necessidade urgente tanto de deter o processo de fragmentação de hábitat como de implantar novas unidades de conservação.

Dimorfismo sexual em espécies de macacos-aranha, gênero Ateles É. Geoffroy, 1806 (Atelidae), com distribuição amazônica

O estudo das diferenças sexuais secundárias em macacos-aranha (gênero Ateles É. Geoffroy, 1806) tem apresentado resultados controversos, principalmente em relação ao peso do corpo. Os resultados vão desde positivamente dimórficos, onde os machos são maiores que as fêmeas, até negativamente dimórficos, com fêmeas maiores que os machos. No entanto, sabe-se que o grupo apresenta o menor grau de dimorfismo entre os Atelídeos. Considerando que diferenças sexuais em relação à massa do corpo influenciam diretamente nas medidas cranianas do indivíduo, foram realizadas comparações de 25 medidas cranianas e três medidas corpóreas de três espécies de primatas do gênero Ateles com distribuição amazônica, A. paniscus, A. marginatus e A. chamek. Foram utilizadas amostras de exemplares adultos depositados em três museus brasileiros. Não havia amostras suficientes da espécie A. belzebuth para a realização da análise. Além das análises morfométricas, foi realizada uma comparação etária para o tamanho da faixa de pêlos brancos da face dos exemplares de A. marginatus. As medidas cranianas foram comparadas entre os sexos através de análises multivariadas, (análise de componentes principais-ACP e análise discriminante-AD), enquanto que as medidas do corpo e da mancha frontal foram comparadas através da ANOVA. A espécie A. marginatus não apresentou diferenças sexuais no padrão de distribuição dos pêlos brancos da face, porém o mesmo parece sofrer influência da idade. Para as medidas relacionadas ao corpo, somente as espécies A. paniscus e A. marginatus apresentaram amostras suficientes para a realização das análises estatísticas. Para ambas espécies não foram observadas diferenças entre os sexos, salvo para a do comprimento da cauda de A. paniscus, que se apresentou como negativamente dimórfica. No entanto, esse resultado pode ser reflexo de erros na mensuração dos exemplares no momento da coleta. Para as medidas cranianas e mandibulares, todas as espécies apresentaram poucas variáveis dimórficas, mas em relação ao tamanho do dente canino, as diferenças entre machos e fêmeas foram altamente significativas. Outras medidas que se apresentaram como dimórficas foram aquelas relacionadas ao aparato mastigatório. Considerando que essas estruturas participam diretamente das relações de competição e hierarquia, o baixo grau de dimorfismo sexual associado ao gênero Ateles pode ser resultado do seu sistema social do tipo fissão-fusão. Uma comparação foi realizada com dados de literatura dos chimpanzés que possuem o mesmo sistema de organização social, porém apresentam-se mais dimórficos. Foi verificado que diferenças no modo de forrageamento, organização e utilização do habitat pelas fêmeas podem determinar um crescimento diferenciado em relação aos machos e, consequentemente, ter influência no grau de dimorfismo apresentado por essas espécies. Apesar de ter sido considerado, no presente estudo, como um grupo monomórfico, as diferenças sexuais em Ateles parecem ser mais evidentes na idade subadulta. Portanto, faz-se necessário um estudo ontogenético que realize um melhor refinamento da classe adulta a fim de determinar, aproximadamente, em que período do ciclo de vida desses primatas ocorre essa diferenciação, e quais fatores ecológicos ou comportamentais podem ser associados a essa característica.

Synthese und Charakterisierung von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Silika-Komposit-Partikeln und fluorierten Nanopartikeln unter Verwendung des Miniemulsionsprozesses

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Zum einen wurde im Rahmen des Schwerpunktprojektes „Kolloidverfahrenstechnik“ und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Heike Schuchmann vom KIT in Karlsruhe die Verkapselung von Silika-Nanopartikeln in eine PMMA-Hülle durch Miniemulsionspolymerisation entwickelt und der Aufskalierungsprozess unter Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren vorangetrieben. Zum anderen wurden verschiedene fluorierte Nanopartikel durch den Miniemulsionsprozess generiert und ihr Verhalten in Zellen untersucht.rnSilika-Partikel konnten durch Miniemulsionspolymerisation in zwei unterschiedlichen Prozessen erfolgreich verkapselt werden. Bei der ersten Methode wurden zunächst modifizierte Silika-Partikel in einer MMA-Monomerphase dispergiert und anschließend durch den normalen Miniemulsionsprozess Silika-beladene Tröpfchen generiert. Diese konnten zu Komposit-Partikeln polymerisiert werden. Bei der Verkapselung durch den Fission/Fusion Prozess wurden die hydrophobisierten Silika-Partikel durch Fission und Fusion Prozesse in schon vorhandene Monomertröpfchen eingebracht, welche hinterher polymerisiert wurden. Um hydrophiles Silika in einem hydrophoben Monomer zu dispergieren, musste zunächst eine Modifizierung der Silika-Partikel stattfinden. Dies geschah unter anderem über eine chemische Anbindung von 3-Methacryloxypropyltri-methoxysilan an der Oberfläche der Silika-Partikel. Des Weiteren wurden die hydrophilen Silika-Partikel durch Adsorption von CTMA-Cl physikalisch modifiziert. Unter anderem durch die Variation des Verkapselungsprozesses, der Silika-Menge, der Tensidart und –menge und der Comonomere konnten Komposit-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien, Größen, und Füllgraden erhalten werden.rnFluorierte Nanopartikel wurden erfolgreich über den Prozess der Miniemulsionspolymerisation synthetisiert. Als Monomere dienten dabei fluorierte Acrylate, fluorierte Methacrylate und fluoriertes Styrol. Es war möglich aus jeder dieser drei Gruppen an Monomeren fluorierte Nanopartikel herzustellen. Für genauere Untersuchungen wurden 2,3,4,5,6-Pentafluorstyrol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecyl-methacrylat und 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecylacrylat als Monomere ausgewählt. Als Hydrophob zur Unterdrückung der Ostwaldreifung wurde Perfluromethyldecalin eingesetzt. Die stabilsten Miniemulsionen wurden wiederum mit den ionischen Tensid SDS generiert. Mit steigendem Gehalt an SDS gelöst in der kontinuierlichen Phase, wurde eine Verkleinerung der Partikelgröße festgestellt. Neben den Homopolymerpartikeln wurden auch Copolymerpartikel mit Acrylsäure erfolgreich synthetisiert. Zudem wurde noch das Verhalten der fluorierten Partikel in Zellen überprüft. Die fluorierten Partikel wiesen ein nicht toxisches Verhalten vor. Die Adsorption von Proteinen aus Humanem Serum wurde über ITC Messungen untersucht. rnSomit konnte gezeigt werden, dass die Technik der Miniemulsionspolymerisation eine abwechslungsreiche und effektive Methode ist, um Hybridnanopartikel mit verschiedenen Morphologien und oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel erfolgreich zu generieren.rn

Non-aqueous dispersions of particles and their applications

In the current work, three studies about non-aqueous dispersions of particles were carried out by using an amphiphilic block copolymer poly(isoprene)-block-poly(methyl methacrylate) (PI-b-PMMA) as stabilizer:rn1. Dispersions of polyurethane and polyurea porous particles for polymer compositesrn2. Dispersions of PMMA and PU particles with PDI dye for study of Single Molecule Spectroscopy Detectionrn3. Dispersions of graphene nanosheets for polymer compositesrnrnIn the first study, highly porous polyurethane and polyurea particles were prepared in a non-aqueous emulsion. The preparation of porous particles consisted of two parts: At first, a system was developed where the emulsion had high stability for the polymerization among diisocyanate, diol and water. In the second part, porous particles were prepared by using two methods fission/fusion and combination by which highly porous particles were obtained. In this study, the applications of porous particles were also investigated where polyurethane particles were tested as filling material for polymer composites and as catalyst carrier for polyethylene polymerization. rnrnIn the second study, PMMA and PU particles from one non-aqueous emulsion were investigated via single molecule fluorescence detection. At first the particles were loaded with PDI dye, which were detected by fluorescence microscopy. The distribution and orientation of the PDI molecules in the particles were successfully observed by Single Molecule Fluorescence Detection. The molecules were homogenously distributed inside of the particles. In addition they had random orientation, meaning that no aggregations of dye molecules were formed. With the results, it could be supposed that the polymer chains were also homogenously distributed in the particles, and that the conformation was relatively flexible. rnrnIn the third part of the study, graphene nanosheets with high surface area were dispersed in an organic solvent with low boiling point and low toxicity, THF, stabilized with a block copolymer PI-b-PMMA. The dispersion was used to prepare polymer composites. It was shown that the modified graphene nanosheets had good compatibility with the PS and PMMA matrices. rn

Functional proteomics and biochemsitry: working together to unravel mitochondrial phenomena of African trypansomes

Eukaryotic cells are compartmentalized into membrane-bound organelles in order to provide sheltered reaction rooms for various specific processes. Organelles are not randomly distributed in a cell or operate isolated from each other. At the contrary — some organelles are closely linked and their functions are tightly orchestrated. The most well-known example of two such organelles acting in concert are the ER and the mitochondrion that work together in order to coordinate cellular lipid biosynthesis, maintain Ca2+-homeostasis, regulate mitochondrial division and control mitochondrial/ER shape as well as to synchronize the movement of these organelles within a cell. To study the mitochondrion and its interface to the ER requires a simplified mitochondrial system. African trypanosomes represent such a system. The unicellular parasite that causes devastating diseases in humans and animals has only one large mitochondrion that does not undergo fission/fusion events except for the context of cell division. Moreover, mitochondrial functions and morphology are highly regulated throughout the life cycle of the protozoan. Central to the understanding of how mitochondria control their morphology, communicate with their surroundings and manage exchange of metabolites and transport of biopolymers (proteins, RNAs) is the mitochondrial outer membrane (MOM), as the MOM defines the boundary of the organelle. Recently, we have purified the MOM of T. brucei and characterized its proteome using label-free quantitative mass spectrometry for protein abundance profiling in combination with statistical analysis. Our results show that the trypanosomal MOM proteome consists of 82 proteins, two thirds of which have never been associated with mitochondria before. Among these, we identified novel factors required to regulate mitochondrial morphology and the long-elusive protein import machinery of T. brucei. A comparison with the MOM proteome of yeast defines a set of 17 common proteins that are likely present in the mitochondrial outer membrane of all eukaryotes. One of these is the Miro-GTPase Gem1. In yeast, this Ca2+-EF-Hand containing polypeptide is thought to be involved in a protein complex that physically tethers the mitochondrion to the ER. Interestingly, a putative tethering complex in mammalian cells was linked to the mitochondrial fusion/fission machinery. Thus, the concept of a protein complex-mediated connection seems to be a general and conserved feature. We are currently investigating, if such a protein complex exists in T. brucei and if the trypanosomal Gem1 protein is involved. This ER-subdomain associated with mitochondria has been termed mitochondria-associated ER-membranes or MAM. The MAM has recently been implicated to play a key role in Alzheimer’s disease. It is therefore of broad and general interest to establish other eukaryotic model systems in order to investigate the MAM-MOM connection in more detail.

Functional proteomics and biochemistry: working together to unravel mitochondrial phenomena of African trypanosomes

Eukaryotic cells are compartmentalized into membrane-bound organelles in order to provide sheltered reaction rooms for various specific processes. Organelles are not randomly distributed in a cell or operate isolated from each other. At the contrary — some organelles are closely linked and their functions are tightly orchestrated. The most well-known example of two such organelles acting in concert are the ER and the mitochondrion that work together in order to coordinate cellular lipid biosynthesis, maintain Ca2+-homeostasis, regulate mitochondrial division and control mitochondrial/ER shape as well as to synchronize the movement of these organelles within a cell. To study the mitochondrion and its interface to the ER requires a simplified mitochondrial system. African trypanosomes represent such a system. The unicellular parasite that causes devastating diseases in humans and animals has only one large mitochondrion that does not undergo fission/fusion events except for the context of cell division. Moreover, mitochondrial functions and morphology are highly regulated throughout the life cycle of the protozoan. Central to the understanding of how mitochondria control their morphology, communicate with their surroundings and manage exchange of metabolites and transport of biopolymers (proteins, RNAs) is the mitochondrial outer membrane (MOM), as the MOM defines the boundary of the organelle. Recently, we have purified the MOM of T. brucei and characterized its proteome using label-free quantitative mass spectrometry for protein abundance profiling in combination with statistical analysis. Our results show that the trypanosomal MOM proteome consists of 82 proteins, two thirds of which have never been associated with mitochondria before. Among these, we identified novel factors required to regulate mitochondrial morphology and the long-elusive protein import machinery of T. brucei. A comparison with the MOM proteome of yeast defines a set of 17 common proteins that are likely present in the mitochondrial outer membrane of all eukaryotes. One of these is the Miro-GTPase Gem1. In yeast, this Ca2+-EF-Hand containing polypeptide is thought to be involved in a protein complex that physically tethers the mitochondrion to the ER. Interestingly, a putative tethering complex in mammalian cells was linked to the mitochondrial fusion/fission machinery. Thus, the concept of a protein complex-mediated connection seems to be a general and conserved feature. We are currently investigating, if such a protein complex exists in T. brucei and if the trypanosomal Gem1 protein is involved. This ER-subdomain associated with mitochondria has been termed mitochondria-associated ER-membranes or MAM. The MAM has recently been implicated to play a key role in Alzheimer’s disease. It is therefore of broad and general interest to establish other eukaryotic model systems in order to investigate the MAM-MOM connection in more detail.

Could Relatedness Help Explain Why Individuals Lead in Bottlenose Dolphin Groups?

In many species, particular individuals consistently lead group travel. While benefits to followers often are relatively obvious, including access to resources, benefits to leaders are often less obvious. This is especially true for species that feed on patchy mobile resources where all group members may locate prey simultaneously and food intake likely decreases with increasing group size. Leaders in highly complex habitats, however, could provide access to foraging resources for less informed relatives, thereby gaining indirect benefits by helping kin. Recently, leadership has been documented in a population of bottlenose dolphins (Tursiops truncatus) where direct benefits to leaders appear unlikely. To test whether leaders could benefit indirectly we examined relatedness between leader-follower pairs and compared these levels to pairs who associated but did not have leader-follower relationship (neither ever led the other). We found the average relatedness value for leader-follower pairs was greater than expected based on chance. The same was not found when examining non leader-follower pairs. Additionally, relatedness for leader-follower pairs was positively correlated with association index values, but no correlation was found for this measure in non leader-follower pairs. Interestingly, haplotypes were not frequently shared between leader-follower pairs (25%). Together, these results suggest that bottlenose dolphin leaders have the opportunity to gain indirect benefits by leading relatives. These findings provide a potential mechanism for the maintenance of leadership in a highly dynamic fission-fusion population with few obvious direct benefits to leaders.

Dynamics of morphological changes for mitochondrial fission and fusion

Mitochondria experience continuous fusion and fission in a living cell, but their dynamics remains poorly quantified. Here a theoretical model was developed, upon a simplified population balance equation (PBE), to predict the morphological changes induced by mitochondrial fission and fusion. Assuming that both fission and fusion events are statistically independent, the survival probability of mitochondria staying in the fission or fusion state was formulated as an exponentially-decayed function with time, which depended on the time-dependent distribution of the mitochondrial volume and the fission and fusion rates. Parametric analysis was done for two typical volume distributions. One was Gamma distribution and the other was Gaussian distribution, derived from the measurements of volume distribution for individual mitochondria in a living cell and purified mitochondria in vitro. The predictions indicated that the survival probability strongly depended on morphological changes of individual mitochondria and was inversely correlated to the fission and fusion rates. This work provided a new insight into quantifying the mitochondrial dynamics via monitoring the evolution of the mitochondrial volume.

Fission dynamics for capture reactions in 58,64ni + 208pb systems: New results in terms of thermal energy and neutron multiplicity correlated distributions

The neutron multidetector DéMoN has been used to investigate the symmetric splitting dynamics in the reactions 58.64Ni + 208Pb with excitation energies ranging from 65 to 186 MeV for the composite system. An analysis based on the new backtracing technique has been applied on the neutron data to determine the two-dimensional correlations between the parent composite system initial thermal energy (EthCN) and the total neutron multiplicity (νtot), and between pre- and post-scission neutron multiplicities (νpre and νpost, respectively). The νpre distribution shape indicates the possible coexistence of fast-fission and fusion-fission for the system 58Ni + 208Pb (Ebeam = 8.86 A MeV). The analysis of the neutron multiplicities in the framework of the combined dynamical statistical model (CDSM) gives a reduced friction coefficient β = 23 ± 2512 × 1021 s-1, above the one-body dissipation limit. The corresponding fission time is τf = 40 ± 4620 × 10-21 s. © 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.