Biochemische, strukturelle und funktionelle Untersuchungen der Tyrosinase aus Streptomyces castaneoglobisporus HUT6202

Die Tyrosinase aus Streptomyces castaneoglobisporus HUT6202 ist für biochemische und strukturelle Untersuchungen besonders gut geeignet, da sie als globuläres binäres Protein vorliegt. Als bakterielles Protein lässt sich die Tyrosinase aus Streptomyces in einen E.coli Expressionsstamm klonieren und exprimieren.rnIn dieser Arbeit wurde die Tyrosinase zusammen mit seinem Hilfsprotein (ORF378) polycistronisch in Escherichia coli BL21 (DE3)-Zellen heterolog exprimiert. Das Produkt der Expression ergab einen funktionellen binären Proteinkomplex, welcher mit einer Ausbeute von bis zu 0,8 mg/L über einen C-terminalen His-Tag sowie eine anschließende Größenausschlusschromatographie auf bis 95 % gereinigt werden konnte.rnDer gereinigte binäre Komplex aus Tyrosinase und Hilfsprotein wurde mit Hilfe isoelektrischer Fokussierung untersucht um die jeweiligen isoelektrischen Punkte der beiden Proteine zu bestimmen (pI 4,8 für die Tyrosinase sowie 4,9 für das Hilfsprotein), welche stark von den anhand der Aminosäuresequenz errechneten pIs abweichen (6,2 und 6,4). Des Weiteren wurde die Tyrosinase auf ihre Substratspezifität getestet, wobei sich ein bevorzugter Umsatz von Kaffeesäure (Km 1,4 mM; Vmax 21.5 µM min-1) und p-Cumarsäure zeigte. Es erfolgte keine Katalyse von Tyrosin und Tyramin sowie nur in geringem Maß von L-Dopa. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass ein enzymatischer Umsatz nur stattfindet, nachdem die Tyrosinase mit CuSO4 aktiviert wurde. Eine Aktivierung mit SDS konnte nicht beobachtet werden.rnZur Untersuchung der Aktivierung des binären Komplexes lässt sich mit Hilfe dynamischer Lichtstreuung und analytischer Ultrazentrifugation eine Dissoziation des Komplexes in seine monomeren Komponenten nach Aktivierung mit CuSO4 vermuten. Dies würde den bislang hypothetisch angenommenen Mechanismus der Aktivierung der Tyrosinase aus S.castaneoglobisporus bestätigen.rnIn silico-Arbeiten wurden durchgeführt um ein tieferes Verständnis der Substratspezifität zu bekommen. Substrat-Docking-Experimente bestätigten die im Labor erhaltenen Ergebnisse. Eine Strukturanalyse deutet auf eine sterische Hinderung der Substrataufnahme für Substrate mit sekundären Aminogruppen hin. rnAnalysen des Protein-Interface von Tyrosinase und Hilfsprotein konnten kupferfixierende Faltungsmotive an der Oberfläche des Hilfsproteins aufzeigen. Bei diesen handelt es meist um 3-4 polare Aminosäuren, welche in der Lage sind, ein Kupferatom zu fixieren. Durch die Bindung der Kupferatome an die fixierenden Motive werden wahrscheinlich zahlreiche Wasserstoff-brückenbindungen getrennt, welche den Komplex in seiner inaktiven Form stabilisieren.rn

Towards Centrifugal Compressor Stages Virtual Testing

Flow features inside centrifugal compressor stages are very complicated to simulate with numerical tools due to the highly complex geometry and varying gas conditions all across the machine. For this reason, a big effort is currently being made to increase the fidelity of the numerical models during the design and validation phases. Computational Fluid Dynamics (CFD) plays an increasing role in the assessment of the performance prediction of centrifugal compressor stages. Historically, CFD was considered reliable for performance prediction on a qualitatively level, whereas tests were necessary to predict compressors performance on a quantitatively basis. In fact "standard" CFD with only the flow-path and blades included into the computational domain is known to be weak in capturing efficiency level and operating range accurately due to the under-estimation of losses and the lack of secondary flows modeling. This research project aims to fill the gap in accuracy between "standard" CFD and tests data by including a high fidelity reproduction of the gas domain and the use of advanced numerical models and tools introduced in the author's OEM in-house CFD code. In other words, this thesis describes a methodology by which virtual tests can be conducted on single stages and multistage centrifugal compressors in a similar fashion to a typical rig test that guarantee end users to operate machines with a confidence level not achievable before. Furthermore, the new "high fidelity" approach allowed understanding flow phenomena not fully captured before, increasing aerodynamicists capability and confidence in designing high efficiency and high reliable centrifugal compressor stages.

Polykation-DNA-Komplexe : Eigenschaften und Anwendung in der Gentransfektion

Polykationen bilden mit DNA spontan Komplexe. Triebkraft ist der Entropiegewinn durch Freisetzung der Gegenionen auf den Polyelektrolyten. Solche Komplexe können in der Gentechnik verwendet werden, um fremde DNA in eine Zelle einzuschleusen. Dies bezeichnet man als Gentransfektion. In dieser Arbeit werden erstmals bürstenförmige Polykationen mit wurmförmiger Topologie zur Gentransfektion verwendet. Dazu wurde die Komplexierung von DNA mit Bürstenpolymeren mit Poly-L-Lysin- und Polyvinylpyridinium-Seitenketten und linearen Polykationen untersucht. Die Komplexbildung verläuft in allen Fällen kinetisch kontrolliert, alle Polykationen bilden sphärische Komplexe, die Topologie hat keinen Einfluss auf die Komplexgröße. Komplexe aus Bürstenpolymeren transfizieren mehr als 25% der gesamten Zellpopulation bei Schweinehirnendothelzellen. Gegenüber dem kommerziellen Transfektionsmittel Lipofektamin konnte eine deutliche Steigerung um bis zu 400% erreicht werden. Komplexe, die mit linearen Analoga gebildet wurden, zeigten bei gleicher Komplexgröße Transfektionsraten unter 5%. Freisetzungsversuche zeigen, dass die Komplexe, die gut transfizieren, recht labil sind, also die DNA unter Kompetitoreinfluss freisetzen können. Stabile Komplexe haben geringe Transfektionseffizienzen. Ebenso wichtig ist der Schutz der DNA vor Abbau durch DNase. Die PVP-Bürste bietet als einziges der untersuchten Polykationen diesen Schutz und zeigt auch die besten Transfektionsraten. Zusätzlich zu der medizinischen Anwendung wurde die Kinetik der Komplexbildung untersucht. Dazu wurde ein spezieller Aufbau entwickelt, der es ermöglicht die Streuintensität der Komplexlösung bei kleinen Streuwinkeln zeitaufgelöst im Millisekundenbereich zu detektieren. Die Komplexbildung verläuft diffusionskontrolliert, im Bereich von Ladungsverhältnissen (positive zu negativen Ladungen) von 1.8 bis 4.0 schließt sich ein fraktales Wachstum an.

Microfluidic microbial fuel cell fabrication and rapid screening of electrochemically microbes

The demand for novel renewable energy sources, together with the new findings on bacterial electron transport mechanisms and the progress in microbial fuel cell design, have raised a noticeable interest in microbial power generation. Microbial fuel cell (MFC) is an electrochemical device that converts organic substrates into electricity via catalytic conversion by microorganism. It has represented a continuously growing research field during the past few years. The great advantage of this device is the direct conversion of the substrate into electricity and in the future, MFC may be linked to municipal waste streams or sources of agricultural and animal waste, providing a sustainable system for waste treatment and energy production. However, these novel green technologies have not yet been used for practical applications due to their low power outputs and challenges associated with scale-up, so in-depth studies are highly necessary to significantly improve and optimize the device working conditions. For the time being, the micro-scale MFCs show great potential in the rapid screening of electrochemically active microbes. This thesis presents how it will be possible to optimize the properties and design of the micro-size microbial fuel cell for maximum efficiency by understanding the MFC system. So it will involve designing, building and testing a miniature microbial fuel cell using a new species of microorganisms that promises high efficiency and long lifetime. The new device offer unique advantages of fast start-up, high sensitivity and superior microfluidic control over the measured microenvironment, which makes them good candidates for rapid screening of electrode materials, bacterial strains and growth media. It will be made in the Centre of Hybrid Biodevices (Faculty of Physical Sciences and Engineering, University of Southampton) from polymer materials like PDMS. The eventual aim is to develop a system with the optimum combination of microorganism, ion exchange membrane and growth medium. After fabricating the cell, different bacteria and plankton species will be grown in the device and the microbial fuel cell characterized for open circuit voltage and power. It will also use photo-sensitive organisms and characterize the power produced by the device in response to optical illumination.

Synthesis of constrained peptidomimetics for therapeutic, diagnostic and theranostic applications

This thesis work deals, principally, with the development of different chemical protocols ranging from environmental sustainability peptide synthesis to asymmetric synthesis of modified tryptophans to a series of straightforward procedures for constraining peptide backbones without the need for a pre-formed scaffold. Much efforts have been dedicated to the structural analysis in a biomimetic environment, fundamental for predicting the in vivo conformation of compounds, as well as for giving a rationale to the experimentally determined bioactivity. The conformational analyses in solution has been done mostly by NMR (2D gCosy, Roesy, VT, titration experiments, molecular dynamics, etc.), FT-IR and ECD spectroscopy. As a practical application, 3D rigid scaffolds have been employed for the synthesis of biological active compounds based on peptidomimetic and retro-mimetic structures. These mimics have been investigated for their potential as antiflammatory agents and actually the results obtained are very promising. Moreover, the synthesis of Amo ring permitted the development of an alternative high effective synthetic pathway for obtaining Linezolid antibiotic. The final section is, instead, dedicated to the construction of a new biosensor based on zeolite L SAMs functionalized with the integrin ligand c[RGDfK], that has showed high efficiency for the selective detection of tumor cells. Such kind of sensor could, in fact, enable the convenient, non-invasive detection and diagnosis of cancer in early stages, from a few drops of a patient's blood or other biological fluids. In conclusion, the researches described herein demonstrate that the peptidomimetic approach to 3D definite structures, allows unambiguous investigation of the structure-activity relationships, giving an access to a wide range bioactive compounds of pharmaceutical interest to use not only as potential drugs but also for diagnostic and theranostic applications.

Mikrobielle Synthese von Biopolymeren aus der nachwachsenden Rohstoffquelle Weizenstroh

Weizenstroh als erneuerbare Ressource zur Produktion von Biopolymeren und wichtigen Grundchemikalien stellt eine ökologisch sinnvolle Alternative dar. Durch die vom PFI durchgeführte Thermodruckhydrolyse konnte das Weizenstroh und die darin enthaltenen Zucker fast vollständig mobilisiert werden. Ein umfangreiches Screening nach Organismen, welche die Zucker des Weizenstrohs verwerten konnten, ergab, dass einige wenige Stämme zur PHB-Bildung aus Xylose befähigt waren (10 %). Zur PHB-Synthese aus Glucose waren indes ca. doppelt so viele Organismen in der Lage (20 %). Zwei der insgesamt 118 untersuchten Organismen zeigten besonders gute PHB-Bildung sowohl mit Xylose als auch mit Glucose als Substrat. Dabei handelte es sich um die hauseigenen Stämme Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2. Nach Enttoxifizierung der hemicellulosischen Fraktion konnte diese als C-Quelle im Mineral Medium eingesetzt werden. Burkholderia sacchari DSM 17165 und Hydrogenophaga pseudoflava DSM 1034, sowie die hauseigenen Isolate Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2 wurden für die Synthese von PHB aus der hemicellulosischen Fraktion verwendet. Die Zucker der hemicellulosischen Fraktion (Xylose, Glucose, Arabinose) konnten durch diese Organismen zur PHB-Synthese genutzt werden. Hierbei stellte sich heraus, dass die beiden Bacillus-Stämme besser zur Produktion von PHB aus dem hemicellulosischen Hydrolysat geeignet waren als die Stämme der DSMZ. Die alternative Umsetzung der im hemicellulosischem Hydrolysat enthaltenen Zucker (Xylose, Glucose und Arabinose) in die wichtigen Grundchemikalien Lactat und Acetat konnte durch die Verwendung von heterofermentativen Milchsäurebakterien verwirklicht werden. Die Bildung dieser wichtigen Grundchemikalien stellt eine interessante Alternative zur PHB-Synthese dar. Die Menge an teuren Zusätzen wie Tomatensaft, welcher für das Wachstum der MSB essentiell war, konnte reduziert werden. Die Glucose der zweiten Fraktion des Weizenstrohs, der cellulosischen Fraktion, konnte ebenfalls durch den Einsatz von Mikroorganismen in PHB umgewandelt werden. Kommerzielle Cellulasen der Firma Novozymes konnten große Mengen an Glucose (≥10 g/l) aus der cellulosischen Fraktion freisetzen. Diese freie Glucose wurde mit Hilfe von Cupriavidus necator DSM 545, Cupriavidus necator NCIMB 11599, Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2 zu PHB fermentiert. Wie auch beim hemicellulosischen Hydrolysat konnten hier die beiden Bacillus-Stämme die besten Ergebnisse erzielen. Bei ihnen machte die PHB mehr als die Hälfte der Trockenmasse aus. Die Abtrennung des Zielprodukts ohne die Verwendung von umweltschädlichen Lösungsmitteln wurde durch die Lyse der Zielzellen durch eigens isolierte Enzyme aus Streptomyceten verwirklicht. Die Zelllyse durch die Enzyme aus Streptomyces globisporus subsp. caucasius DSM 40814 und Streptomyces albidoflavus DSM 40233 war erfolgreich und zeigte vor allem bei den Bacillen hohe Wirkung (83 % und 99 % Zelllyse). Bei dem Gram-negativen Organismus Cupriavidus necator DSM 428 konnte die anfangs niedrige Zelllyse von 38 % durch Ultraschallbehandlung auf ca. 75 % erhöht werden.

Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Proposal of a Continuous Read-out Implementation in the ALICE-TOF detector

The main purpose of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the investigation of the QGP. The ALICE experiment situated at the CERN has been specifically designed to study heavy-ion collisions for centre-of-mass energies up to 5.5 per nucleon pair. Extended particle identification capability is one of the main characteristics of the ALICE experiment. In the intermediate momentum region (up to 2.5 GeV/c for pi/K and 4 GeV/c for K/p), charged particles are identified in the ALICE experiment by the Time of Flight (TOF) detector. The ALICE-TOF system is a large-area detector based on the use of Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) built with high efficiency, fast response and intrinsic time resolution better than 40 ps. This thesis work, developed with the ALICE-TOF Bologna group, is part of the efforts carried out to adapt the read-out of the detector to the new requirements after the LHC Long Shutdown 2. Tests on the feasibility of a new read-out scheme for the TOF detector have been performed. In fact, the achievement of a continuous read-out also for the TOF detector would not be affordable if one considers the replacement of the TRM cards both for hardware and budget reasons. Actually, the read-out of the TOF is limited at 250 kHz i.e. it would be able to collect up to just a fourth of the maximum collision rate potentially achievable for pp interactions. In this Master’s degree thesis work, I discuss a different read-out system for the ALICE-TOF detector that allows to register all the hits at the interaction rate of 1 MHz foreseen for pp interactions after the 2020, by using the electronics currently available. Such solution would allow the ALICE-TOF detector to collect all the hits generated by pp collisions at 1 MHz interaction rate, which corresponds to an amount four times larger than that initially expected at such frequencies with the triggered read-out system operated at 250 kHz for LHC Run 3. The obtained results confirm that the proposed read-out scheme is a viable option for the ALICE TOF detector. The results also highlighted that it will be advantageous if the ALICE-TOF group also implement an online monitoring system of noisy channels to allow their deactivation in real time.

A New Reactor Concept for Efficient Solar-Thermochemical Fuel Production

We describe and analyze the efficiency of a new solar-thermochemical reactor concept, which employs a moving packed bed of reactive particles produce of H2 or CO from solar energy and H2O or CO2. The packed bed reactor incorporates several features essential to achieving high efficiency: spatial separation of pressures, temperature, and reaction products in the reactor; solid–solid sensible heat recovery between reaction steps; continuous on-sun operation; and direct solar illumination of the working material. Our efficiency analysis includes material thermodynamics and a detailed accounting of energy losses, and demonstrates that vacuum pumping, made possible by the innovative pressure separation approach in our reactor, has a decisive efficiency advantage over inert gas sweeping. We show that in a fully developed system, using CeO2 as a reactive material, the conversion efficiency of solar energy into H2 and CO at the design point can exceed 30%. The reactor operational flexibility makes it suitable for a wide range of operating conditions, allowing for high efficiency on an annual average basis. The mixture of H2 and CO, known as synthesis gas, is not only usable as a fuel but is also a universal starting point for the production of synthetic fuels compatible with the existing energy infrastructure. This would make it possible to replace petroleum derivatives used in transportation in the U.S., by using less than 0.7% of the U.S. land area, a roughly two orders of magnitude improvement over mature biofuel approaches. In addition, the packed bed reactor design is flexible and can be adapted to new, better performing reactive materials.

A New Reactor Concept for Efficient Solar-Thermochemical Fuel Production

We describe and analyze the efficiency of a new solar-thermochemical reactor concept, which employs a moving packed bed of reactive particles produce of H-2 or CO from solar energy and H2O or CO2. The packed bed reactor incorporates several features essential to achieving high efficiency: spatial separation of pressures, temperature, and reaction products in the reactor; solid-solid sensible heat recovery between reaction steps; continuous on-sun operation; and direct solar illumination of the working material. Our efficiency analysis includes material thermodynamics and a detailed accounting of energy losses, and demonstrates that vacuum pumping, made possible by the innovative pressure separation approach in our reactor, has a decisive efficiency advantage over inert gas sweeping. We show that in a fully developed system, using CeO2 as a reactive material, the conversion efficiency of solar energy into H-2 and CO at the design point can exceed 30%. The reactor operational flexibility makes it suitable for a wide range of operating conditions, allowing for high efficiency on an annual average basis. The mixture of H-2 and CO, known as synthesis gas, is not only usable as a fuel but is also a universal starting point for the production of synthetic fuels compatible with the existing energy infrastructure. This would make it possible to replace petroleum derivatives used in transportation in the U. S., by using less than 0.7% of the U. S. land area, a roughly two orders of magnitude improvement over mature biofuel approaches. In addition, the packed bed reactor design is flexible and can be adapted to new, better performing reactive materials.

Contamination of Alpine snow and ice at Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps, from nuclear weapons tests

Plutonium is present in the environment as a consequence of atmospheric nuclear tests, nuclear weapons production and industrial releases over the past 50 years. To study temporal trends, a high resolution Pu record was obtained by analyzing 52 discrete samples of an alpine firn/ice core from Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m a.s.l.), dating from 1945 to 1990. The 239Pu signal was recorded directly, without decontamination or preconcentration steps, using an Inductively Coupled Plasma - Sector Field Mass Spectrometer (ICP-SFMS) equipped with an high efficiency sample introduction system, thus requiring much less sample preparation than previously reported methods. The 239Pu profile reflects the three main periods of atmospheric nuclear weapons testing: the earliest peak lasted from 1954/55 to 1958 and was caused by the first testing period reaching a maximum in 1958. Despite a temporary halt of testing in 1959/60, the Pu concentration decreased only by half with respect to the 1958 peak due to long atmospheric residence times. In 1961/62 Pu concentrations rapidly increased reaching a maximum in 1963, which was about 40% more intense than the 1958 peak. After the signing of the "Limited Test Ban Treaty" between USA and USSR in 1964, Pu deposition decreased very sharply reaching a minimum in 1967. The third period (1967-1975) is characterized by irregular Pu concentrations with smaller peaks (about 20-30% of the 1964 peak) which might be related to the deposition of Saharan dust contaminated by the French nuclear tests of the 1960s. The data presented are in very good agreement with Pu profiles previously obtained from the Col du Dome ice core (by multi-collector ICP-MS) and Belukha ice core (by Accelerator Mass Spectrometry, AMS). Although a semi-quantitative method was employed here, the results are quantitatively comparable to previously published results.

Inference on Survival Data with Covariate Measurement Error - An Imputation-based Approach

We propose a new method for fitting proportional hazards models with error-prone covariates. Regression coefficients are estimated by solving an estimating equation that is the average of the partial likelihood scores based on imputed true covariates. For the purpose of imputation, a linear spline model is assumed on the baseline hazard. We discuss consistency and asymptotic normality of the resulting estimators, and propose a stochastic approximation scheme to obtain the estimates. The algorithm is easy to implement, and reduces to the ordinary Cox partial likelihood approach when the measurement error has a degenerative distribution. Simulations indicate high efficiency and robustness. We consider the special case where error-prone replicates are available on the unobserved true covariates. As expected, increasing the number of replicate for the unobserved covariates increases efficiency and reduces bias. We illustrate the practical utility of the proposed method with an Eastern Cooperative Oncology Group clinical trial where a genetic marker, c-myc expression level, is subject to measurement error.

Antioxidant activities of some tryptophan metabolites: possible implication for inflammatory diseases

The antioxidant properties of tryptophan and some of its oxidative metabolites were examined by measuring how efficiently they inhibited peroxyl radical-mediated oxidation of phosphatidylcholine liposomes and B-phycoerythrin. Low micromolar concentrations of 5-hydroxytryptophan, 3-hydroxykynurenine, xanthurenic acid, or 3-hydroxyanthranilic acid, but not their corresponding nonhydroxylated metabolic precursors, scavenged peroxyl radicals with high efficiency. In particular, 3-hydroxykynurenine and 3-hydroxyanthranilic acid protected B-phycoerythrin from peroxyl radical-mediated oxidative damage more effectively than equimolar amounts of either ascorbate or Trolox (a water-soluble analog of vitamin E). Enzyme activities involved or related to oxidative tryptophan metabolism, as well as endogenous concentrations of tryptophan and its metabolites, were determined within tissues of mice suffering from acute viral pneumonia. Infection resulted in a 100-fold induction of pulmonary indoleamine 2,3-dioxygenase (EC 1.13.11.17) as reported [Yoshida, R., Urade, Y., Tokuda, M. ; Hayaishi, O. (1979) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 76, 4084-4086]. This was accompanied by a 16- and 3-fold increase in the levels of lung kynurenine and 3-hydroxykynurenine, respectively. In contrast, endogenous concentrations of tryptophan and xanthurenic acid did not increase and 3-hydroxyanthranilic acid could not be detected. The activity of the superoxide anion (O2-.)-producing enzyme xanthine oxidase increased 3.5-fold during infection while that of the O2-.-removing superoxide dismutase decreased to 50% of control levels. These results plus the known requirement of indoleamine 2,3-dioxygenase for superoxide anion for catalytic activity suggest that viral pneumonia is accompanied by oxidative stress and that induction of indoleamine 2,3-dioxygenase may represent a local antioxidant defence against this and possibly other types of inflammatory diseases.

Metal-oxide film and photonic structures for integrated device applications

The application of photonic crystal technology on metal-oxide film is a very promising field for future optical telecommunication systems. Band gap and polarization effects in lithium niobate (LiNbO3) photonic crystals and bismuth-substituted iron garnets (BiYIG) photonic crystals are investigated in this work reported here. The design and fabrication process are similar for these two materials while the applications are different, involving Bragg filtering in lithium niobate and polarization rotation in nonreciprocal iron garnets. The research of photonic structures in LiNbO3 is of high interest for integrated device application due to its remarkable electro-optical characteristics. This work investigated the photonic band gap in high quality LiNbO3 single crystalline thin film by ion implantation to realize high efficiency narrow bandwidth filters. LiNbO3 thin film detachment by bonding is also demonstrated for optical device integration. One-dimensional Bragg BiYIG waveguides in gyrotropic system are found to have multiple stopbands and evince enhancement of polarization rotation efficiency. Previous photon trapping theory cannot explain the phenomena because of the presence of linear birefringence. This work is aimed at investigating the mechanism with the support of experiments. The results we obtained show that selective suppression of Bloch states in gyrotropic bandgaps is the key mechanism for the observed phenomena. Finally, the research of ferroelectric single crystal PMN-PT with ultra high piezoelectric coefficient as a biosensor is also reported. This work presents an investigation and results on higher sensitivity effects than conventional materials such as quartz and lithium niobate.

COMBUSTION INITIATION BY ELECTRICAL-DISCHARGE-INDUCED PLASMA IN LEAN AND DILUTE METHANE-AIR MIXTURE: EXPERIMENTAL AND MODELING INVESTIGATION

This dissertation represents experimental and numerical investigations of combustion initiation trigged by electrical-discharge-induced plasma within lean and dilute methane air mixture. This research topic is of interest due to its potential to further promote the understanding and prediction of spark ignition quality in high efficiency gasoline engines, which operate with lean and dilute fuel-air mixture. It is specified in this dissertation that the plasma to flame transition is the key process during the spark ignition event, yet it is also the most complicated and least understood procedure. Therefore the investigation is focused on the overlapped periods when plasma and flame both exists in the system. Experimental study is divided into two parts. Experiments in Part I focuses on the flame kernel resulting from the electrical discharge. A number of external factors are found to affect the growth of the flame kernel, resulting in complex correlations between discharge and flame kernel. Heat loss from the flame kernel to code ambient is found to be a dominant factor that quenches the flame kernel. Another experimental focus is on the plasma channel. Electrical discharges into gases induce intense and highly transient plasma. Detailed observation of the size and contents of the discharge-induced plasma channel is performed. Given the complex correlation and the multi-discipline physical/chemical processes involved in the plasma-flame transition, the modeling principle is taken to reproduce detailed transitions numerically with minimum analytical assumptions. Detailed measurement obtained from experimental work facilitates the more accurate description of initial reaction conditions. The novel and unique spark source considering both energy and species deposition is defined in a justified manner, which is the key feature of this Ignition by Plasma (IBP) model. The results of numerical simulation are intuitive and the potential of numerical simulation to better resolve the complex spark ignition mechanism is presented. Meanwhile, imperfections of the IBP model and numerical simulation have been specified and will address future attentions.