Microbial enzyme production utilizing banana wastes

A critical survey of the fruits and vegetable markets of the towns and cities in South India reveals that banana fruit stalk wastes share a dominant proportion among the solid wastes generated. In the light of the review of literature presented in the foregoing section, few reports are available on the utilisation of banana waste for the production of alcoholic beverages, biogas, and single cell protein. However, it is not yet tried for the production of industrial enzymes. Moreover, preliminary fermentation studies conducted under uncontrolled conditions revealed that banana fruit stalk could be aptly utilised as solid substrate? for the industrial production of microbial amylases and cellulases at a cheaper cost. Therefore, it was proposed to conduct a detailed study towards the development of a suitable fermentation process for the production of industrial enzymes using banana fruit stalk wastes, which is rich in carbohydrate, as solid substrate, employing bacteria, under SSF.

Marine yeast Candida MCCF 101 as feed supplement in aquaculture: nutritional quality, optimization of large scale production and evaluation of its protective effect on Koi carp from Aeromonas infection

Marine yeast have been regarded as safe and showing a beneficial impact on biotechnological process. It provides better nutritional and dietary values indicating their potential application as feed supplements in aquaculture. Brown et al. (1996) evaluated all the marine yeasts characterised with high protein content, carbohydrate, good amino acid composition and high levels of saturated fats. However, there is paucity of information on marine yeasts as feed supplements and no feed formulation has been found either in literature or in market supplemented with them. This statement supported by Zhenming et al. (2006) reported still a lack of feed composed of single cell protein (SCP) from marine yeasts with high content of protein and other nutrients. Recent research has shown that marine yeasts also have highly potential uses in food, feed, medical and biofuel industries as well as marine biotechnology (Chi et al., 2009; 2010). Sajeevan et al. (2006; 2009a) and Sarlin and Philip (2011) demonstrates that the marine yeasts Candida sake served as a high quality, inexpensive nutrient source and it had proven immunostimulatory properties for cultured shrimps. This strain has been made part of the culture collection of National Centre for Aquatic Animal Health, Cochin University of Science and Technology as Candida MCCF 101. Over the years marine yeasts have been gaining increased attention in animal feed industry due to their nutritional value and immune boosting property.Therefore, the present study was undertaken, and focused on the nutritional quality, optimization of large scale production and evaluation of its protective effect on Koi carp from Aeromonas infection

Molecular studies on a Dictyostelium homolog of the tafazzin gene, the cause of Barth syndrome in humans

Der eukaryotische Mikroorganismus Dictyostelium discoideum lebt als einzellige Amöbe solange ausreichende Nahrungsressourcen zur Verfügung stehen. Sobald Nahrungsmangel eintritt, entwickeln sich die Zellen von einem einzelligen zu einem mehrzelligen Zustand, der mit einem multizellulären Fruchtkörper abschließt. Dieser Prozess wird durch eine Reihe aufeinanderfolgender Signale organisiert, die eine differentielle Genexpression regulieren. Die Gene der Discoidin I Familie gehören zu den Ersten, die im Laufe des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs (engl. GDT) aktiviert werden. Sie eignen sich daher vorzüglich als Marker für den Beginn der Entwicklung. Mit Hilfe einer REMI-Mutagenese und Discoidin I als molekularem Marker sind verschiedene Komponenten des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs in unserer Arbeitsgruppe identifiziert worden (Zeng et al., 2000 A und B; Riemann und Nellen, persönliche Mitteilung). Mit demselben Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit eine REMI-Mutante identifiziert, die eine Fehl-Expression von Discoidin zeigte und einen axenischen Wachstumsdefekt bei 15 °C aufwies. Das Gen wurde als Homolog zum humanen Tafazzin-Gen identifiziert. Dieses Gen wurde zur Rekonstruktion des Phänotyps über homologe Rekombination erneut disruptiert, was wie erwartet zu dem zuerst beschriebenen Phänotyp führte. Folgerichtig ergab eine Überexpression des Gens in den Mutanten eine Komplementation des Phänotyps. Immunfluoreszenz-Experimente zeigten eine mitochondriale Lokalisation des Dictyostelium discoideum Taffazzin Proteins. Dass ein mitochondriales Protein in Zusammenhang mit dem Wachstums-Differenzierungs-Übergang steht, ist ein unerwarteter Befund, der aber als Hinweis darauf gewertet werden kann, dass Mitochondrien einen direkten Einfluss auf die entwicklungsspezifische Signaltransduktion ausüben. Die Taffazzin Disruptions-Mutante in Dictyostelium führte zu einem abnormalen Cardiolipin Metabolismus. Dieses Phospholipid ist ein charakteristischer Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und für die Funktion verschiedener Enzyme erforderlich. Unsere vorläufigen Analysen des Phospholipid-Gehalts zeigten Übereinstimmung mit Daten von Patienten mit Barth-Syndrom, einer humanen Erkrankung, bei der das Taffazzin-Gen Mutationen aufweist, und mit Hefe-Mutanten dieses Gens. Dies zeigt den Wert von Dictyostelium discoideum als einen weiteren Modelorganismus zur Untersuchung des Barth-Syndroms und zur Erprobung möglicher Therapieansätze.

Molekulare Systematik der Gattung Suaeda (Chenopodiaceae) und Evolution des C4-Photosynthesesyndroms

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Synthese aus molekularer Phylogenie und Merkmalsentwicklung für die Unterfamilie Suaedoideae der Chenopodiaceae präsentiert. Anhand von rekonstruierten Stammbäumen aus den Sequenzunterschieden von DNA-Abschnitten zweier unabhängiger Genome (Kern, Chloroplast) werden monophyletische Gruppen herausgearbeitet und die Variabilität der molekularen Merkmale in Bezug auf die bekannten Arten diskutiert. Insgesamt wurden für alle molekularen Analysen 294 Sequenzen ausgewertet. Mit 254 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Suaedoideae und 18 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Salicornioideae wurde eine vergleichende molekulare Analyse mit den DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH durchgeführt. Mit der Einbeziehung von ca. 65 bekannten Suaeda-Arten sind damit je nach Artauffassung bis zu 80% aller Arten der Gattung berücksichtigt. Mittels Fossildaten werden die wichtigsten Divergenzereignisse zeitlich fixiert. Die molekularen Stammbäume dienen weiterhin als Grundlage für die Bewertung der Arten sowie ihrer morphologischen und anatomischen Merkmale. Ein wichtiger Aspekt bildet dabei die Entwicklung der C4-Photosynthese mit den zugehörigen Blatttypen. Die folgenden vier Themenkomplexe bzw. Fragestellungen sollten bearbeitet werden (für ausführliche Darstellung vgl. Kap. 1.3): 1. Monophyletische Gruppen und ihre Beziehungen 2. Prinzipien der Evolution und Artbildung in der untersuchten Gruppe, Abgrenzung der Arten. 3. Entwicklung des C4-Photosynthesesyndroms 4. Entwicklung und Variabilität systematisch relevanter Merkmale Die Ergebnisse der auf vergleichender DNA-Sequenzierung beruhenden molekularen Analyse und die Synthese mit weiteren Daten führen als Resultat der vorliegenden Arbeit zusammenfassend zu folgenden Ergebnissen: 1.) Die drei sequenzierten DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH zeigen im Vergleich eine sehr unterschiedliche Variabilität, ITS ist die variabelste aller Regionen. Die in den Alignments gefundenen Merkmale in Form von Punkt- und Längenmutationen zwischen den Einzelsequenzen waren zahlenmäßig ausreichend und qualitativ geeignet, um mit den drei Verfahren Maximum Parsimony, Maximum Likelihood und Bayes’scher Analyse aussagekräftige und in wesentlichen Aussagen kongruente molekulare Phylogenien zu rekonstruieren. Die Chloroplasten-Daten wurden für die Berechnungen kombiniert. 2.) Die beiden DNA-Regionen ITS und atpB-rbcL evolvieren mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die mit der Glättungsmethode PL berechneten durchschnittlichen Substitutionsraten weisen für ITS eine 5,5fach höhere Substitutionsrate gegenüber atpB-rbcL nach. Die ITS-Sequenzen sind daher wesentlich diverser und für einige Sippen, bei identischen atpB-rbcL-Sequenzen, unterschiedlich. Eine direkte Homologisierung von molekularer und morphologischer Variabilität oder die molekulare Limitierung von Arten ist daher nur in einigen Fällen möglich. 3.) Die Gattungen Suaeda, Alexandra und Borszczowia bilden eine monophyletische Gruppe, die den Salicornioideae als Schwestergruppe gegenübersteht. Dies bestätigt die Ergebnisse der Phylogenie der Chenopodiaceae (Kadereit et al. 2003). Im traditionellen Verständnis ist damit die Gattung Suaeda paraphyletisch. Durch taxonomische Umkombination (Schütze et al. 2003. Kapralov et al. 2006) werden die Gattungen Alexandra und Borszczowia in Suaeda eingegliedert, womit das Monophylie-Kriterium für die Gattung wieder erfüllt ist. Die molekularen Daten unterstützen diese nomenklatorische Neubewertung. Der nachfolgend verwendete Gattungsname Suaeda bezieht sich auf die neue Fassung. 4.) Bienertia gehört nicht in die unter 2.) beschriebene monophyletische Gruppe. Die Stellung dieser Gattung ist intermediär. Im ITS-Baum bildet sie die Schwestergruppe zu den Salicornioideae, im Chloroplasten-Baum diejenige zu Suaeda. Da Bienertia aufgrund morphologischer Merkmale Suaeda ähnlicher ist als den Salicornioideae wird sie in die intern neu gegliederte Unterfamilie der Suaedoideae einbezogen, die weitgehend der in Ulbrich (1934) vertretenen Auffassung entspricht. 5.) Suaeda teilt sich in zwei sehr deutlich getrennte Gruppen, die in einer neuen Gliederung als Untergattungen Brezia und Suaeda definiert werden. Die Trennung datiert mit etwa 30 Mio. Jahren in das Oligozän. Zur Untergattung Brezia gehören alle Arten der Sektion Brezia nach bisheriger taxonomischer Auffassung, die Untergattung Suaeda vereint alle übrigen Arten und wird in weitere Sektionen untergliedert. 6.) Die Untergattung bzw. Sektion Brezia zeigt im ITS-Baum eine deutliche Dreigliederung in 3 Subclades, die allerdings von den Chloroplasten-Bäumen nicht verifiziert wird und auch durch morphologische Merkmale nicht zu rechtfertigen ist. Die Subclades der Untergattung Suaeda entsprechen in Grundzügen den bisherigen Sektionen und sind durch synapomorphe Merkmale gekennzeichnet. Für die Gattung Suaeda leiten sich nach monophyletischen Gruppen oder singulären Linien folgende Sektionen ab: Brezia, Alexandra, Borszczowia, Schanginia, Schoberia Salsina (inkl. der früheren Sektionen Limbogermen, Immersa und Macrosuaeda), Suaeda, Physophora und Glauca (neu). 7.) Hybridisierung und Polyploidisierung sind wichtige Prozesse der sympatrischen Artbildung innerhalb der Suaedoideae und waren wahrscheinlich immer mit Arealerweiterungen gekoppelt. Mehrere Linien sind durch Vervielfachung des Chromosomensatzes charakterisiert, wobei auch die recht seltene Form der Dekaploidie erreicht wird. Vieles spricht dafür, dass sowohl Auto- als auch Allopolyploidie eine Rolle spielt. Auf Autopolyplodie beruhen höchstwahrscheinlich die unterschiedlichen Chromosomenrassen von S. corniculata. Durch Inkongruenzen zwischen Chloroplasten- und ITS (Kern)-Stammbäumen konnten einige Arten mit hoher Wahrscheinlichkeit als etablierte, allopolyploide Hybridsippen identifiziert werden (Suaeda kulundensis, S. sibirica). Es ist damit erwiesen, dass die Diversifizierung durch retikulate Evolution beeinflusst wird. 8.) Die Ergebnisse der molekularen Phylogenien belegen sehr deutlich, dass sich die C4-Photosynthese innerhalb der Suaedoideae viermal unabhängig mit vier vollkommen unterschiedlichen Blatttypen entwickelt hat. Dazu gehören zwei Blatttypen mit single cell C4-photosynthesis, ein bis vor kurzem bei Landpflanzen unbekanntes Phänomen. Innerhalb der Sektionen Schoberia, Salsina und Borszczowia datiert die Entstehung in das späte Miozän, bei Bienertia entstand die C4-Photosynthese möglicherweise noch früher. 9.) Als systematisch äußerst bedeutsame Merkmale haben sich die schon von Iljin (1936a) benutzten Pistill-Formen sowie spezifische Blattmerkmale herausgestellt. Mit diesen Merkmalen können Sektionen, die auf monophyletischen Gruppen beruhen, gut definiert werden. Synapomorphe Merkmale des Pistills sind die Zahl und Ausbildung der Narben sowie die Form ihrer Insertion im Ovar. Bei den Blatttypen sind es vor allem die vier histologisch hoch differenzierten C4-Blatttypen, die als gemeinsam abgeleitetes Merkmal rezenter, teilweise aufgespaltener Linien gewertet werden. 10.) Die früher z.T. überbewerteten Merkmale des Perianths (Verwachsungen, Flügel, Anhänge und Umbildungen) können nur zur Beschreibung einzelner Sippen oder lokaler Gruppen herangezogen werden. Ebenso ist das Merkmal der Lebensformen (Therophyten, Chamaephyten) kaum zur Charakterisierung von Gruppen geeignet. Wie das Beispiel Brezia sehr deutlich zeigt, kam es allein in dieser Gruppe mehrfach zur Entwicklung ausdauernder, verholzender Sippen. Der umgekehrte Prozess fand bei der Entstehung der annuellen S. aegyptiaca und S. arcuata statt. Mit Hilfe von DNA-basierten Stammbäumen ist es in der vorliegenden Arbeit möglich geworden, die evolutionäre Geschichte der Gattung nachzuzeichnen und eine auf monophyletischen Gruppen basierende Gliederung abzuleiten. Damit wird eine Grundlage für ein verbessertes Artkonzept der Gattung Suaeda geschaffen. Für die praktische Taxonomie ist dies aber nur teilweise bedeutend. Die morphologisch nachvollziehbare Abgrenzung von Arten bleibt, gerade in den diversen Sektionen Brezia und Salsina, umstritten und kaum nachvollziehbar. Ein Großteil der Arten hat offenbar keine interspezifischen Kompatibilitätsschranken, es handelt sich daher um Morpho- oder Semispecies, möglicherweise sogar nur geographische Rassen, die allerdings mit schnell evolvierenden DNA-Regionen wie ITS differenzierbar sind. Ausgehend von den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit verbleibt genügend Raum für weiterführende, vertiefende systematische und populationsbiologische Studien.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Programmable Self-Assembly: Constructing Global Shape using Biologically-inspire

In this thesis I present a language for instructing a sheet of identically-programmed, flexible, autonomous agents (``cells'') to assemble themselves into a predetermined global shape, using local interactions. The global shape is described as a folding construction on a continuous sheet, using a set of axioms from paper-folding (origami). I provide a means of automatically deriving the cell program, executed by all cells, from the global shape description. With this language, a wide variety of global shapes and patterns can be synthesized, using only local interactions between identically-programmed cells. Examples include flat layered shapes, all plane Euclidean constructions, and a variety of tessellation patterns. In contrast to approaches based on cellular automata or evolution, the cell program is directly derived from the global shape description and is composed from a small number of biologically-inspired primitives: gradients, neighborhood query, polarity inversion, cell-to-cell contact and flexible folding. The cell programs are robust, without relying on regular cell placement, global coordinates, or synchronous operation and can tolerate a small amount of random cell death. I show that an average cell neighborhood of 15 is sufficient to reliably self-assemble complex shapes and geometric patterns on randomly distributed cells. The language provides many insights into the relationship between local and global descriptions of behavior, such as the advantage of constructive languages, mechanisms for achieving global robustness, and mechanisms for achieving scale-independent shapes from a single cell program. The language suggests a mechanism by which many related shapes can be created by the same cell program, in the manner of D'Arcy Thompson's famous coordinate transformations. The thesis illuminates how complex morphology and pattern can emerge from local interactions, and how one can engineer robust self-assembly.

The phytocannabinoid Delta(9)-tetrahydrocannabivarin modulates inhibitory neurotransmission in the cerebellum

Background and purposeThe phytocannabinoid Delta(9)-tetrahydrocannabivarin (Delta(9)-THCV) has been reported to exhibit a diverse pharmacology; here, we investigate functional effects of Delta(9)-THCV, extracted from Cannabis sativa, using electrophysiological techniques to define its mechanism of action in the CNS.Experimental approachEffects of Delta(9)-THCV and synthetic cannabinoid agents on inhibitory neurotransmission at interneurone-Purkinje cell (IN-PC) synapses were correlated with effects on spontaneous PC output using single-cell and multi-electrode array (MEA) electrophysiological recordings respectively, in mouse cerebellar brain slices in vitro.Key resultsThe cannabinoid receptor agonist WIN 55,212-2 (WIN55) decreased miniature inhibitory postsynaptic current (mIPSC) frequency at IN-PC synapses. WIN55-induced inhibition was reversed by Delta(9)-THCV, and also by the CB(1) receptor antagonist AM251; Delta(9)-THCV or AM251 acted to increase mIPSC frequency beyond basal values. When applied alone, Delta(9)-THCV, AM251 or rimonabant increased mIPSC frequency. Pre-incubation with Delta(9)-THCV blocked WIN55-induced inhibition. In MEA recordings, WIN55 increased PC spike firing rate; Delta(9)-THCV and AM251 acted in the opposite direction to decrease spike firing. The effects of Delta(9)-THCV and WIN55 were attenuated by the GABA(A) receptor antagonist bicuculline methiodide.Conclusions and implicationsWe show for the first time that Delta(9)-THCV acts as a functional CB(1) receptor antagonist in the CNS to modulate inhibitory neurotransmission at IN-PC synapses and spontaneous PC output. Delta(9)-THCV- and AM251-induced increases in mIPSC frequency beyond basal levels were consistent with basal CB(1) receptor activity. WIN55-induced increases in PC spike firing rate were consistent with synaptic disinhibition; whilst Delta(9)-THCV- and AM251-induced decreases in spike firing suggest a mechanism of PC inhibition.British Journal of Pharmacology advance online publication, 3 March 2008; doi:10.1038/bjp.2008.57.

The phytocannabinoid Δ9-tetrahydrocannabivarin modulates inhibitory neurotransmission in the cerebellum

Background and purpose: The phytocannabinoid Delta(9)-tetrahydrocannabivarin (Delta(9)-THCV) has been reported to exhibit a diverse pharmacology; here, we investigate functional effects of Delta(9)-THCV, extracted from Cannabis sativa, using electrophysiological techniques to define its mechanism of action in the CNS. Experimental approach: Effects of Delta(9)-THCV and synthetic cannabinoid agents on inhibitory neurotransmission at interneurone-Purkinje cell (IN-PC) synapses were correlated with effects on spontaneous PC output using single-cell and multi-electrode array (MEA) electrophysiological recordings respectively, in mouse cerebellar brain slices in vitro. Key results: The cannabinoid receptor agonist WIN 55,212-2 (WIN55) decreased miniature inhibitory postsynaptic current (mIPSC) frequency at IN-PC synapses. WIN55-induced inhibition was reversed by Delta(9)-THCV, and also by the CB1 receptor antagonist AM251; Delta(9)-THCV or AM251 acted to increase mIPSC frequency beyond basal values. When applied alone, Delta(9)-THCV, AM251 or rimonabant increased mIPSC frequency. Pre-incubation with Delta(9)-THCV blocked WIN55-induced inhibition. In MEA recordings, WIN55 increased PC spike firing rate; Delta(9)-THCV and AM251 acted in the opposite direction to decrease spike firing. The effects of Delta(9)-THCV and WIN55 were attenuated by the GABA(A) receptor antagonist bicuculline methiodide. Conclusions and implications: We show for the first time that Delta(9)-THCV acts as a functional CB1 receptor antagonist in the CNS to modulate inhibitory neurotransmission at IN-PC synapses and spontaneous PC output. Delta(9)-THCV- and AM251-induced increases in mIPSC frequency beyond basal levels were consistent with basal CB1 receptor activity. WIN55-induced increases in PC spike firing rate were consistent with synaptic disinhibition; whilst Delta(9)-THCV-and AM251-induced decreases in spike firing suggest a mechanism of PC inhibition.

Relation between neuronal morphology and electrophysiology in the Kainate lesion model of Alzheimer's Disease

This paper describes a computational and statistical study of the influence of morphological changes on the electrophysiological response of neurons from an animal model of Alzheimer's Disease (AD). We combined experimental morphological data from rat hippocampal CA1 pyramidal cells with a well-established model of active membrane properties. Dendritic morphology and the somatic response to simulated current clamp conditions were then compared for cells from the control and the AD group. The computational approach allowed us to single out the influences of neuromorphology on neuronal response by eliminating the effects of active channel variability. The results did not reveal a simple relationship between morphological changes associated with AD and changes in neural response. However, they did suggest the existence of more complex than anticipated relationships between dendritic morphology and single-cell electrophysiology.

Theoretical insights into bacterial chemotaxis

Research into understanding bacterial chemotactic systems has become a paradigm for Systems Biology. Experimental and theoretical researchers have worked hand-in-hand for over 40 years to understand the intricate behavior driving bacterial species, in particular how such small creatures, usually not more than 5 µm in length, detect and respond to small changes in their extracellular environment. In this review we highlight the importance that theoretical modeling has played in providing new insight and understanding into bacterial chemotaxis. We begin with an overview of the bacterial chemotaxis sensory response, before reviewing the role of theoretical modeling in understanding elements of the system on the single cell scale and features underpinning multiscale extensions to population models. WIREs Syst Biol Med 2012 doi: 10.1002/wsbm.1168 For further resources related to this article, please visit the WIREs website.

Potential anti-cancer effects of virgin olive oil phenols on colorectal carcinogenesis models in vitro

The traditional Mediterranean diet is thought to represent a healthy lifestyle; especially given the incidence of several cancers including colorectal cancer is lower in Mediterranean countries compared to Northern Europe. Olive oil, a central component of the Mediterranean diet, is believed to beneficially affect numerous biological processes. We used phenols extracted from virgin olive oil on a series of in vitro systems that model important stages of colon carcinogenesis. The effect the extract on DNA damage induced by hydrogen peroxide was measured in HT29 cells using single cell microgel-electrophoresis. A significant anti-genotoxic linear trend (p=0.011) was observed when HT29 cells were pre-incubated with olive oil phenols (0, 5, 10, 25, 50, 75, 100 microg/ml) for 24 hr, then challenged with hydrogen peroxide. The olive oil phenols (50, 100 microg/ml) significantly (p=0.004, p=0.002) improved barrier function of CACO2 cells after 48 hr as measured by trans-epithelial resistance. Significant inhibition of HT115 invasion (p<0.01) was observed at olive oil phenols concentrations of 25, 50, 75, 100 microg/ml using the matrigel invasion assay. No effect was observed on HT115 viability over the concentration range 0, 25, 50 75, 100 microg/ml after 24 hr, although 75 and 100 microg/ml olive oil phenols significantly inhibited HT115 cell attachment (p=0.011, p=0.006). Olive oil phenols had no significant effect on metastasis-related gene expression in HT115 cells. We have demonstrated that phenols extracted from virgin olive oil are capable of inhibiting several stages in colon carcinogenesis in vitro.

The effect of cruciferous and leguminous sprouts on genotoxicity, in vitro and in vivo

Vegetable consumption is associated with a reduced risk of colorectal cancer, which is the second most common cancer after lung/breast cancer within Europe. Some putative protective phytochemicals are found in higher amounts in young sprouts than in mature plants. The effect of an extract of mixed cruciferous and legume sprouts on DNA damage induced by H(2)O(2) was measured in HT29 cells using single cell microgelelectrophoresis (comet). Significant antigenotoxic effect (P < or = 0.05) was observed when HT29 cells were pre-incubated with the extract (100 and 200 microL/mL) for 24 hours and then challenged with H(2)O(2). A parallel design intervention study was carried out on 10 male and 10 female healthy adult volunteers (mean age = 25.5 years) fed 113 g of cruciferous and legume sprouts daily for 14 days. The effect of the supplementation was measured on a range of parameters, including DNA damage in lymphocytes (comet), the activity of various detoxifying enzymes (glutathione S-transferase, glutathione peroxidase, and superoxide dismutase), antioxidant status using the ferric reducing ability of plasma assay, plasma antioxidants (uric acid, ascorbic acid, and alpha-tocopherol), blood lipids, plasma levels of lutein, and lycopene. A significant antigenotoxic effect against H(2)O(2)-induced DNA damage was shown in peripheral blood lymphocytes of volunteers who consumed the supplemented diet when compared with the control diet (P = 0.04). No significant induction of detoxifying enzymes was observed during the study, neither were plasma antioxidant levels or activity altered. The results support the theory that consumption of cruciferous vegetables is linked to a reduced risk of cancer via decreased damage to DNA.

Collagen or collagen-related peptide cause (Ca2+)i elevation and increased tyrosine phosphorylation in human megakaryocytes.

Since megakaryocytes are the cellular precursors of platelets we have investigated whether they share responses to platelet agonists, in particular collagen. Although previous studies have reported responses to thrombin in non-human megakaryocytes, through studies of single cell calcium responses and protein tyrosine-phosphorylation we demonstrate for the first time that both isolated human megakaryocytes and CD41/61-positive megakaryocytes derived in culture from CD34+ cells share responses to the platelet agonists collagen, collagen-related peptide and thrombin. The responses to either collagen or CRP were seen only in the most mature megakaryocytes and not in megakaryocyte-like cell lines, suggesting that the response to collagen is a characteristic developed late during megakaryocyte differentiation. These primary cells offer the opportunity to use many molecular and cellular techniques to study and manipulate signalling events in response to platelet receptor agonists, which cannot be performed in the small, anucleate platelet itself.

A mesoscopic modelling approach to anaesthetic action on brain electrical activity

Relating the measurable, large scale, effects of anaesthetic agents to their molecular and cellular targets of action is necessary to better understand the principles by which they affect behavior, as well as enabling the design and evaluation of more effective agents and the better clinical monitoring of existing and future drugs. Volatile and intravenous general anaesthetic agents (GAs) are now known to exert their effects on a variety of protein targets, the most important of which seem to be the neuronal ion channels. It is hence unlikely that anaesthetic effect is the result of a unitary mechanism at the single cell level. However, by altering the behavior of ion channels GAs are believed to change the overall dynamics of distributed networks of neurons. This disruption of regular network activity can be hypothesized to cause the hypnotic and analgesic effects of GAs and may well present more stereotypical characteristics than its underlying microscopic causes. Nevertheless, there have been surprisingly few theories that have attempted to integrate, in a quantitative manner, the empirically well documented alterations in neuronal ion channel behavior with the corresponding macroscopic effects. Here we outline one such approach, and show that a range of well documented effects of anaesthetics on the electroencephalogram (EEG) may be putatively accounted for. In particular we parameterize, on the basis of detailed empirical data, the effects of halogenated volatile ethers (a clinically widely used class of general anaesthetic agent). The resulting model is able to provisionally account for a range of anaesthetically induced EEG phenomena that include EEG slowing, biphasic changes in EEG power, and the dose dependent appearance of anomalous ictal activity, as well as providing a basis for novel approaches to monitoring brain function in both health and disease.

Classification of cortical microcircuits based on micro-electrode-array data from slices of rat barrel cortex

The bewildering complexity of cortical microcircuits at the single cell level gives rise to surprisingly robust emergent activity patterns at the level of laminar and columnar local field potentials (LFPs) in response to targeted local stimuli. Here we report the results of our multivariate data-analytic approach based on simultaneous multi-site recordings using micro-electrode-array chips for investigation of the microcircuitary of rat somatosensory (barrel) cortex. We find high repeatability of stimulus-induced responses, and typical spatial distributions of LFP responses to stimuli in supragranular, granular, and infragranular layers, where the last form a particularly distinct class. Population spikes appear to travel with about 33 cm/s from granular to infragranular layers. Responses within barrel related columns have different profiles than those in neighbouring columns to the left or interchangeably to the right. Variations between slices occur, but can be minimized by strictly obeying controlled experimental protocols. Cluster analysis on normalized recordings indicates specific spatial distributions of time series reflecting the location of sources and sinks independent of the stimulus layer. Although the precise correspondences between single cell activity and LFPs are still far from clear, a sophisticated neuroinformatics approach in combination with multi-site LFP recordings in the standardized slice preparation is suitable for comparing normal conditions to genetically or pharmacologically altered situations based on real cortical microcircuitry.