Mass-rearing of Mediterranean fruit fly using low-cost yeast products produced in Brazil

Ceratitis capitata is one of the most important pests of fruits for exportation, and Sterile Insect Technique (SIT) has been the most efficient and environmental friendly technique used to control fruit fly populations around the world. A key goal in achieving a successful SIT program is a mass rearing system producing high quality insects at low cost. Providing adults with an artificial diet containing hydrolysed protein has been the major obstacle for bio-production facilities in Brazil, because it is expensive and has to be imported. Two other commercial products, autolysed yeast (AY) and yeast extract (YE), of domestic origin and low cost, were tested as substitutes of the imported hydrolyzed protein. To compare their efficiency we observed the female fecundity, adult survival and egg viability of flies raised on diets containing one of each of the different protein products. Flies reared on the domestic yeast products had equivalent or superior performance to the flies reared on imported protein. Both AY and YE can be a possible substitute for imported hydrolyzed protein for C. capitata mass-rearing, as they are cheaper and are readily available in the national market.

Numerical combination for nonlinear analysis of structures coupled to layered soils

This paper presents an alternative coupling strategy between the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM) in order to create a computational code for the analysis of geometrical nonlinear 2D frames coupled to layered soils. The soil is modeled via BEM, considering multiple inclusions and internal load lines, through an alternative formulation to eliminate traction variables on subregions interfaces. A total Lagrangean formulation based on positions is adopted for the consideration of the geometric nonlinear behavior of frame structures with exact kinematics. The numerical coupling is performed by an algebraic strategy that extracts and condenses the equivalent soil's stiffness matrix and contact forces to be introduced into the frame structures hessian matrix and internal force vector, respectively. The formulation covers the analysis of shallow foundation structures and piles in any direction. Furthermore, the piles can pass through different layers. Numerical examples are shown in order to illustrate and confirm the accuracy and applicability of the proposed technique.

The phylogeography of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids is consistent with the geological history of South American river basins and the transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene

Abstract Background Little is known about the diversity, phylogenetic relationships, and biogeography of trypanosomes infecting non-mammalian hosts. In this study, we investigated the influence of host species and biogeography on shaping the genetic diversity, phylogenetic relationship, and distribution of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids. Methods Small Subunit rRNA (SSU rRNA) and glycosomal Glyceraldehyde Phosphate Dehydrogenase (gGAPDH) genes were employed for phylogenetic inferences. Trypanosomes from crocodilians were obtained by haemoculturing. Growth behaviour, morphology, and ultrastructural features complement the molecular description of two new species strongly supported by phylogenetic analyses. Results The inferred phylogenies disclosed a strongly supported crocodilian-restricted clade comprising three subclades. The subclade T. grayi comprised the African Trypanosoma grayi from Crocodylus niloticus and tsetse flies. The subclade T. ralphi comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma ralphi n. sp. from Melanosuchus niger, Caiman crocodilus and Caiman yacare from Brazilian river basins. T. grayi and T. ralphi were sister subclades. The basal subclade T. terena comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma terena n. sp. from Ca. yacare sharing hosts and basins with the distantly genetic related T. ralphi. This subclade also included the trypanosome from Ca. crocodilus from the Orinoco basin in Venezuela and, unexpectedly, a trypanosome from the African crocodilian Osteolaemus tetraspis. Conclusion The close relationship between South American and African trypanosomes is consistent with paleontological evidence of recent transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene/Pliocene boundaries (4–5 mya), and host-switching of trypanosomes throughout the geological configuration of South American hydrographical basins shaping the evolutionary histories of the crocodilians and their trypanosomes.

The phylogeography of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids is consistent with the geological history of South American river basins and the transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene

Background: Little is known about the diversity, phylogenetic relationships, and biogeography of trypanosomes infecting non-mammalian hosts. In this study, we investigated the influence of host species and biogeography on shaping the genetic diversity, phylogenetic relationship, and distribution of trypanosomes from South American alligatorids and African crocodilids. Methods: Small Subunit rRNA (SSU rRNA) and glycosomal Glyceraldehyde Phosphate Dehydrogenase (gGAPDH) genes were employed for phylogenetic inferences. Trypanosomes from crocodilians were obtained by haemoculturing. Growth behaviour, morphology, and ultrastructural features complement the molecular description of two new species strongly supported by phylogenetic analyses. Results: The inferred phylogenies disclosed a strongly supported crocodilian-restricted clade comprising three subclades. The subclade T. grayi comprised the African Trypanosoma grayi from Crocodylus niloticus and tsetse flies. The subclade T. ralphi comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma ralphi n. sp. From Melanosuchus niger, Caiman crocodilus and Caiman yacare from Brazilian river basins. T. grayi and T. ralphi were sister subclades. The basal subclade T. terena comprised alligatorid trypanosomes represented by Trypanosoma terena n. sp. from Ca. yacare sharing hosts and basins with the distantly genetic related T. ralphi. This subclade also included the trypanosome from Ca. crocodilus from the Orinoco basin in Venezuela and, unexpectedly, a trypanosome from the African crocodilian Osteolaemus tetraspis. Conclusion: The close relationship between South American and African trypanosomes is consistent with paleontological evidence of recent transoceanic dispersal of Crocodylus at the Miocene/Pliocene boundaries (4–5 mya), and host-switching of trypanosomes throughout the geological configuration of South American hydrographical basins shaping the evolutionary histories of the crocodilians and their trypanosomes.

Innate Immunity in Insects, Function and Regulation of Hemolin from Hyalophora cecropia

Insects are useful models for the study of innate immune reactions and development. The distinction between recognition mechanisms preceding the breakdown of apoptotic cells during metamorphosis, and the breakdown of cells in response to infections, is unclear. Hemolin, a Lepidopteran member of the immunoglobulin superfamily, is a candidate molecule in self/nonself recognition. This thesis investigates hemolin function and hemolin gene regulation at a molecular level. We investigated the binding and cell adhesion properties of hemolin from H. cecropia and demonstrated that the proteins could homodimerize in presence of calcium. Moreover, a higher molecular weight membrane form of hemolin was present on hemocytes. These results, taken together with an earlier finding that soluble hemolin inhibits hemocyte adhesion, indicated that the secreted hemolin could modulate hemocyte aggregation in a competitive manner in the blood. In addition, hemolin was expressed in different tissues and at different developmental stages. Since hemolin is expressed both during development and during the immune response, its different regulatory factors must act in concert. We found that the third intron contains an enhancer, through which Dif, C/EBP and HMGI synergistically activate a reporter construct in vitro. We concluded that the enhancer is used during infection, since the κB-site is crucial for an immune response. Interestingly, we also found that the active form of the steroid hormone, ecdysone, induces the hemolin gene transcription in vivo, and in addition, acts synergistically during bacterial infection. Preliminary in vivo results indicate a secondary effect of ecdysone and the importance of hormone receptor elements in the upstream promoter region of hemolin. To explore the use of Drosophila as a genetic tool for understanding hemolin function and regulation, we sought to isolate the functional homologue in this species. A fly cDNA library in yeast was screened using H. cecropia hemolin as bait. The screen was not successful. However, it did lead to the discovery of a Drosophila protein with true binding specificity for hemolin. Subsequent characterization revealed a new, highly conserved gene, which we named yippee. Yippee is distantly related to zinc finger proteins and represents a novel family of proteins present in numerous eukaryotes, including fungi, plants and humans. Notably, when the Drosophila genome sequence was revealed, no hemolin orthologue could be detected. Finally, an extensive Drosophila genome chip analysis was initiated. The goal was to investigate the Drosophila immune response, and, in contrast to earlier studies of artificially injected flies, to examine a set of natural microbes, orally and externally applied. In parallel experiments viruses, bacteria, fungi and parasites were compared to unchallenged controls. We obtained a unique set of genes that were up-regulated in the response to the parasite Octosporea muscadomesticae and to the fungus Beauveria bassiana. We expect both down-regulated and up-regulated genes to serve as a source for the discovery of new effector molecules, in particular those that are active against parasites and fungi.

Identification of Drosophila heart-specific Cis-Regulatory Modules under Hox control

Cardiac morphogenesis is a complex process governed by evolutionarily conserved transcription factors and signaling molecules. The Drosophila cardiac tube is linear, made of 52 pairs of cardiomyocytes (CMs), which express specific transcription factor genes that have human homologues implicated in Congenital Heart Diseases (CHDs) (NKX2-5, GATA4 and TBX5). The Drosophila cardiac tube is linear and composed of a rostral portion named aorta and a caudal one called heart, distinguished by morphological and functional differences controlled by Hox genes, key regulators of axial patterning. Overexpression and inactivation of the Hox gene abdominal-A (abd-A), which is expressed exclusively in the heart, revealed that abd-A controls heart identity. The aim of our work is to isolate the heart-specific cisregulatory sequences of abd-A direct target genes, the realizator genes granting heart identity. In each segment of the heart, four pairs of cardiomyocytes (CMs) express tinman (tin), homologous to NKX2-5, and acquire strong contractile and automatic rhythmic activities. By tyramide amplified FISH, we found that seven genes, encoding ion channels, pumps or transporters, are specifically expressed in the Tin-CMs of the heart. We initially used online available tools to identify their heart-specific cisregutatory modules by looking for Conserved Non-coding Sequences containing clusters of binding sites for various cardiac transcription factors, including Hox proteins. Based on these data we generated several reporter gene constructs and transgenic embryos, but none of them showed reporter gene expression in the heart. In order to identify additional abd-A target genes, we performed microarray experiments comparing the transcriptomes of aorta versus heart and identified 144 genes overexpressed in the heart. In order to find the heart-specific cis-regulatory regions of these target genes we developed a new bioinformatic approach where prediction is based on pattern matching and ordered statistics. We first retrieved Conserved Noncoding Sequences from the alignment between the D.melanogaster and D.pseudobscura genomes. We scored for combinations of conserved occurrences of ABD-A, ABD-B, TIN, PNR, dMEF2, MADS box, T-box and E-box sites and we ranked these results based on two independent strategies. On one hand we ranked the putative cis-regulatory sequences according to best scored ABD-A biding sites, on the other hand we scored according to conservation of binding sites. We integrated and ranked again the two lists obtained independently to produce a final rank. We generated nGFP reporter construct flies for in vivo validation. We identified three 1kblong heart-specific enhancers. By in vivo and in vitro experiments we are determining whether they are direct abd-A targets, demonstrating the role of a Hox gene in the realization of heart identity. The identified abd-A direct target genes may be targets also of the NKX2-5, GATA4 and/or TBX5 homologues tin, pannier and Doc genes, respectively. The identification of sequences coregulated by a Hox protein and the homologues of transcription factors causing CHDs, will provide a mean to test whether these factors function as Hox cofactors granting cardiac specificity to Hox proteins, increasing our knowledge on the molecular mechanisms underlying CHDs. Finally, it may be investigated whether these Hox targets are involved in CHDs.

The study of a novel zinc finger gene cluster TZF and a genomic region flanking the histone H 4 replacement gene H 4 r of Drosophila melanogaster

Part I : A zinc finger gene Tzf1 was cloned in the earlier work of the lab by screening a ë-DASH2 cDNA expression library with an anti-Rat SC antibody. A ë-DASH2 genomic DNA library and cosmid lawrist 4 genomic DNA library were screened with the cDNA fragment of Tzf1 to determine the genomic organization of Tzf1. Another putative zinc finger gene Tzf2 was found about 700 bp upstream of Tzf1.RACE experiment was carried out for both genes to establish the whole length cDNA. The cDNA sequences of Tzf and Tzf2 were used to search the Flybase (Version Nov, 2000). They correspond to two genes found in the Flybase, CG4413 and CG4936. The CG4413 transcript seems to be a splicing variant of Tzf transcripts. Another two zinc finger genes Tzf3 and Tzf4 were discovered in silico. They are located 300 bp away from Tzf and Tzf2, and a non-tandem cluster was formed by the four genes. All four genes encode proteins with a very similar modular structure, since they all have five C2H2 type zinc fingers at their c-terminal ends. This is the most compact zinc finger protein gene cluster found in Drosophila melanogaster.Part II: 34,056 bp insert of the cosmid 19G11

Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

Artbildung via Wirtsrassen bei Tephritis conura (Diptera: Tephritidae)

Tephritis conura parasitiert verschiedene Kratzdistel-Arten (Cirsium sp.), darunter Cirsium heterophyllum und C. oleraceum. Vorhergehende Studien hatten gezeigt, dass T. conura auf diesen Wirten zumindest partiell reproduktiv isolierte Wirtsrassen ausgebildet hat. Ziel der vorliegenden Arbeit war es durch die Kombination von genetischen und morphometrischen Analysen mit direkten Untersuchungen von potentiellen Isolationsbarrieren einerseits, und die Einbeziehung verschiedener Verbreitungsmuster der Wirtspflanzen andererseits, die Artbildungsprozesse bei T. conura besser zu verstehen. Der Genfluss zwischen Heterophyllum- und Oleraceum-Fliegen wird durch eine Reihe von Isolationsbarrieren eingeschränkt: Habitatspräferenzen und Unterschiede im Zeitpunkt der sexuellen Aktivität wirken als präzygotische Barrieren, mangelnde Adaptation der Larven an den Alternativwirt sowie möglicherweise genomische Inkompatibilitäten bei Hybriden stellen postzygotische Barrieren dar. Das Maß der genetischen Differenzierung (Allozyme und mtDNA) lässt den Schluss zu, dass diese Barrieren in einer nahezu kompletten reproduktiven Isolation resultieren, so dass Heterophyllum- und Oleraceum-Fliegen eher als eigene Arten denn als Wirtsrassen angesehen werden können. Die mtDNA-Daten deuten darauf hin, dass C. heterophyllum der ursprüngliche Wirt gewesen ist und dass der Wirtswechsel im Laufe der letzten Eiszeit stattgefunden hat. Dabei scheint ein peripatrisches Szenario am wahrscheinlichsten, bei dem die relative Häufigkeit der Wirte für den Differenzierungsprozess die entscheidende Rolle spielte.

optomotor-blind and the horizontal and vertical system cells of the drosophila optic lobes

The horizontal and vertical system neurons (HS and VS cells) are part of a conserved set of lobula plate giant neurons (LPGNs) in the optic lobes of the adult brain. Structure and physiology of these cells are well known, predominantly from studies in larger Dipteran flies. Our knowledge about the ontogeny of these cells is limited and stems predominantly from laser ablation studies in larvae of the house fly Musca domestica. These studies suggested that the HS and VS cells stem from a single precursor, which, at least in Musca, has not yet divided in the second larval instar. A regulatory mutation (In(1)omb[H31]) in the Drosophila gene optomotor-blind (omb) leads to the selective loss of the adult HS and VS cells. This mutation causes a transient reduction in omb expression in what appears to be the entire optic lobe anlage (OLA) late in embryogenesis. Here, I have reinitiated the laser approach with the goal of identifying the presumptive embryonic HS/VS precursor cell in Drosophila. The usefulness of the laser ablation approach which has not been applied, so far, to cells lying deep within the Drosophila embryo, was first tested on two well defined embryonic sensory structures, the olfactory antenno-maxillary complex (AMC) and the light-sensitive Bolwing´s organ (BO). In the case of the AMC, the efficiency of the ablation procedure was demonstrated with a behavioral assay. When both AMCs were ablated, the response to an attractive odour (n-butanol) was clearly reduced. Interestingly, the larvae were not completely unresponsive but had a delayed response kinetics, indicating the existence of a second odour system. BO will be a useful test system for the selectivity of laser ablation when used at higher spatial resolution. An omb-Gal4 enhancer trap line was used to visualize the embryonic OLA by GFP fluorescence. This fluorescence allowed to guide the laser beam to the relevant structure within the embryo. The success of the ablations was monitored in the adult brain via the enhancer trap insertion A122 which selectively visualizes the HS and VS cell bodies. Due to their tight clustering, individual cells could not be identified in the embryonic OLA by conventional fluorescence microscopy. Nonetheless, systematic ablation of subdomains of the OLA allowed to localize the presumptive HS/VS precursor to a small area within the OLA, encompassing around 10 cells. Future studies at higher resolution should be able to identify the precursor as (an) individual cell(s). Most known lethal omb alleles do not complement the HS/VS phenotype of the In(1)omb[H31] allele. This is the expected behaviour of null alleles. Two lethal omb alleles that had been isolated previously by non-complementation of the omb hypomorphic allele bifid, have been reported, however, to complement In(1)omb[H31]. This report was based on low resolution paraffin histology of adult heads. Four mutations from this mutagenesis were characterized here in more detail (l(1)omb[11], l(1)omb[12], l(1)omb[13], and l(1)omb[15]). Using A122 as marker for the adult HS and VS cells, I could show, that only l(1)omb[11] can partly complement the HS/VS cell phenotype of In(1)omb[H31]. In order to identify the molecular lesions in these mutants, the exons and exon/intron junctions were sequenced in PCR-amplified material from heterozygous flies. Only in two mutants could the molecular cause for loss of omb function be identified: in l(1)omb[13]), a missense mutation causes the exchange of a highly conserved residue within the DNA-binding T-domain; in l(1)omb[15]), a nonsense mutation causes a C-terminal truncation. In the other two mutants apparently regulatory regions or not yet identified alternative exons are affected. To see whether mutant OMB protein in the missense mutant l(1)omb[13] is affected in DNA binding, electrophoretic shift assays on wildtype and mutant T-domains were performed. They revealed that the mutant no longer is able to bind the consensus palindromic T-box element.

Genetic Manipulation, Gene Silencing and Biomarker Development in Multiple Experimental Models.

The thesis is set in three different parts, according to the relative experimental models. First, the domestic pig (Sus scrofa) is part of the study on reproductive biotechnologies: the transgenesis technique of Sperm Mediated Gene Transfer is widely studied starting from the quality of the semen, through the study of multiple uptakes of exogenous DNA and lastly used in the production of multi-transgenic blastocysts. Finally we managed to couple the transgenesis pipeline with sperm sorting and therefore produced transgenic embryos of predetermined sex. In the second part of the thesis the attention is on the fruit fly (Drosophila melanogaster) and on its derived cell line: the S2 cells. The in vitro and in vivo models are used to develop and validate an efficient way to knock down the myc gene. First an efficient in vitro protocol is described, than we demonstrate how the decrease in myc transcript remarkably affects the ribosome biogenesis through the study of Polysome gradients, rRNA content and qPCR. In vivo we identified two optimal drivers for the conditional silencing of myc, once the flies are fed with RU486: the first one is throughout the whole body (Tubulin), while the second is a head fat body driver (S32). With these results we present a very efficient model to study the role of myc in multiple aspects of translation. In the third and last part, the focus is on human derived lung fibroblasts (hLF-1), mouse tail fibroblasts and mouse tissues. We developed an efficient assay to quantify the total protein content of the nucleus on a single cell level via fluorescence. We coupled the protocol with classical immunofluorescence so to have at the same time general and particular information, demonstrating that during senescence nuclear proteins increase by 1.8 fold either in human cells, mouse cells and mouse tissues.

DNA methylation, histone modification and the transcription factor dE2F1 in Drosophila

Drosophila melanogaster enthält eine geringe Menge an 5-methyl-Cytosin. Die von mir untersuchte männliche Keimbahn von Drosophila weist jedoch keine nachweisbaren Mengen an DNA-Methylierung auf. Eine künstliche Expression der murinen de novo Methyltransferasen, DNMT3A und DNMT3B1, in den Fliegenhoden, führte nicht zu der erwarteten Methylierungszunahme und hatte keinen Effekt auf die Fruchtbarkeit der Männchen. Auch die gewebespezifische Expression unter der Verwendung des UAS/GAL4-Systems zeigte keine phenotypischen Veränderungen. Hingegen fanden wir auf Protein-Ebene des Chromatins von D. melanogaster und D. hydei spezifische Modifikationsmuster der Histone H3 und H4 in der Keimbahn, wie auch in den somatischen Zellen des Hodenschlauches. Die Modifikationsmuster der beiden Zelltypen unterscheiden sich grundlegend und weichen zudem von dem für Eu- und Heterochromatin erwarteten ab, was auf eine größere Komplexität des „Histon-Codes“ als angenommen hindeutet. Folglich liegt die epigenetische Information in Drosophila wahrscheinlich anstatt auf DNA- auf Protein-Ebene, wodurch Genexpression über die Chromatinstruktur reguliert wird. Es wurde gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor E2F, der eine Schlüsselfunktion im Zellzyklus hat, durch unterschiedliche Transkripte offenbar quantitativ reguliert wird. Unsere Nachforschungen ergaben, dass die drei E2F1 Genprodukte in Drosophila neben ihrer Zellspezifität auch in unterschiedlichen Expressionsniveaus auftreten, was die Annahme einer quantitativen Expression unterstützt. Die verschiedenen Funktionen der multiplen Gene in Säugern, könnten so funktionell kompensiert werden. Die durch die Expression dreier dE2F1-Transkripte vermutete Synthese verschiedener Proteine konnte nicht bewiesen werden.

Interactive simulation of flexible parts

Computer simulations play an ever growing role for the development of automotive products. Assembly simulation, as well as many other processes, are used systematically even before the first physical prototype of a vehicle is built in order to check whether particular components can be assembled easily or whether another part is in the way. Usually, this kind of simulation is limited to rigid bodies. However, a vehicle contains a multitude of flexible parts of various types: cables, hoses, carpets, seat surfaces, insulations, weatherstrips... Since most of the problems using these simulations concern one-dimensional components and since an intuitive tool for cable routing is still needed, we have chosen to concentrate on this category, which includes cables, hoses and wiring harnesses. In this thesis, we present a system for simulating one dimensional flexible parts such as cables or hoses. The modeling of bending and torsion follows the Cosserat model. For this purpose we use a generalized spring-mass system and describe its configuration by a carefully chosen set of coordinates. Gravity and contact forces as well as the forces responsible for length conservation are expressed in Cartesian coordinates. But bending and torsion effects can be dealt with more effectively by using quaternions to represent the orientation of the segments joining two neighboring mass points. This augmented system allows an easy formulation of all interactions with the best appropriate coordinate type and yields a strongly banded Hessian matrix. An energy minimizing process accounts for a solution exempt from the oscillations that are typical of spring-mass systems. The use of integral forces, similar to an integral controller, allows to enforce exactly the constraints. The whole system is numerically stable and can be solved at interactive frame rates. It is integrated in the DaimlerChrysler in-house Virtual Reality Software veo for use in applications such as cable routing and assembly simulation and has been well received by users. Parts of this work have been published at the ACM Solid and Physical Modeling Conference 2006 and have been selected for the special issue of the Computer-Aided-Design Journal to the conference.

Motorisches Lernen in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Arbeit wurden die durch Training induzierten motorischen Gedächtnisleistungen der Taufliege Drosophila melanogaster beim Überklettern von acht symmetrisch verteilten Lücken auf einem rotierenden Ring untersucht. Durch den auf sie einwirkenden optischen Fluss der vorbeiziehenden äußeren Umgebung wurden die Fliegen angeregt, diesem optomotorischen Reiz entgegenzuwirken und die Lücken laufend zu überqueren. Durch Training verbessert und langfristig gelernt wird die kompensatorische Lückenüberquerung X+ gegen die Rotation. In der aus diesem Training erhaltenen Lernkurve war eine überdurchschnittlich hohe Leistungsverbesserung nach einem einzigen Trainingslauf mit einem zeitlichen Bestand von ca. 40 Minuten abzulesen, um danach vom motorischen Gedächtnisspeicher trainierter Fliegen nicht mehr abgerufen werden zu können. Nach einer Ruhephase von einem bis mehreren Tagen wurden die Fliegen auf mögliche Langzeitlernleistungen untersucht und diese für verschiedene Intervalle nachgewiesen. Sowohl die Leistungsverbesserung während des Trainings, als auch der Lerneffekt nach 24h bleiben in mutanten rutabaga2080 sowie rut1 Fliegen aus. Betroffen ist das Gen der Adenylylzyklase I, ein Schlüsselprotein der cAMP-Signalkaskade, die u.a. im olfaktorischen und visuellen Lernen gebraucht wird. Damit ergab sich die Möglichkeit die motorischen Gedächtnisformen durch partielle Rettung zu kartieren. Die motorische Gedächtniskonsolidierung ist schlafabhängig. Wie sich herausstellte, benötigen WTB Fliegen nur eine Dunkelphase von 10h zwischen einem ersten Trainingslauf und einem Testlauf um signifikante Leistungssteigerungen zu erzielen. In weiterführenden Versuchen wurden die Fliegen nachts sowie tagsüber mit einer LED-Lampe oder in einer Dunkelkammer, mit einem Kreisschüttler oder einer Laborwippe depriviert, mit dem Ergebnis, dass nur jene Fliegen ihre Leistung signifikant gegenüber einem ersten Trainingslauf verbessern konnten, welche entweder ausschließlich der Dunkelheit ausgesetzt waren oder welchen die Möglichkeit gegeben wurde, ein Gedächtnis zunächst in einer natürlichen Schlafphase zu konsolidieren (21Uhr bis 7Uhr MEZ). In weiteren Experimenten wurden die experimentellen Bedingungen entweder während des Trainings oder des Tests auf eine Fliege und damit verbunden auf eine erst durch das Training mögliche motorische Gedächtniskonsolidierung einwirken zu können, untersucht. Dazu wurden die Experimentparameter Lückenweite, Rotationsrichtung des Lückenringes, Geschwindigkeit des Lückenringes sowie die Verteilung der acht Lücken auf dem Ring (symmetrisch, asymmetrisch) im Training oder beim Gedächtnisabruf im Testlauf verändert. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass die Lückenweite langzeitkonsolidiert wird, die Rotationsrichtung kurzzeitig abgespeichert wird und die Drehgeschwindigkeit motivierend auf die Fliegen wirkt. Die symmetrische Verteilung der Lücken auf dem Ring dient der Langzeitkonsolidierung und ist als Trainingseingang von hoher Wichtigkeit. Mit Hilfe verschiedener Paradigmen konnten die Leistungsverbesserungen der Fliegen bei Abruf eines Kurz- bzw. Langzeitgedächtnisses hochauflösend betrachtet werden (Transfer). Die Konzentration, mit der eine WTB Fliege eine motorische Aufgabe - die Überquerung von Lücken entgegengesetzt der Rotationsrichtung - durchführt, konnte mit Hilfe von Distraktoreizen bestimmt werden. Wie sich herausstellte, haben Distraktoren einen Einfluss auf die Erfolgsquote einer Überquerung, d.h. mit zunehmender Distraktionsstärke nahm die Wahrscheinlichkeit einer Lückenüberquerung ab. Die Ablenkungsreize wirkten sich weiterhin auf die Vermessung einer Lücke aus, in dem entweder "peering"-artigen Bewegungen im Training durchgeführt wurden oder je nach Reizstärke ausschließlich nur jene Lücken vermessen wurden, welche auch überquert werden sollten.

Funktionsaufklärung von Atmungsproteinen in Insekten

Globine sind kleine globuläre Proteine mit nahezu ubiquitärem Vorkommen in allen Tiergruppen. Sie weisen eine typische Sandwichstruktur auf, die in der Regel aus acht α-Helices mit einer zentralen prosthetischen Häm-Gruppe besteht und die Proteine zur Bindung gasförmiger Liganden befähigt. Die Funktionen der Globine reichen von O2-Transport und – Speicherung, über eine Beteiligung bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies bis hin zu sensorischen physiologischen Aufgaben. Innerhalb der Klasse der Insekten schien das Vorhandensein von Globinen zunächst auf Insekten mit offensichtlich hypoxischen Habitaten beschränkt zu sein. Die Entdeckung des Globins glob1 in Drosophila melanogaster deutete jedoch eine sehr viel weitere Verbreitung der Globine in Insekten an, die sich durch die Identifizierung von Globingenen in einer Vielzahl von normoxisch lebenden Insekten, wie z.B. Apis mellifera oder Aedes aegypti bestätigte. D. melanogaster besitzt drei Globine, glob1, glob2 und glob3. Glob1 ist eng mit anderen intrazellulären Insektenglobinen verwandt, was zu der Annahme führte, dass es sich bei glob1 um das ursprüngliche und bei glob2 und glob3 um abgeleitete D. melanogaster Globine handelt. Glob1 wird in allen Entwicklungsstadien exprimiert, wobei die Hauptexpressionsorte der Fettkörper und das Tracheensystem sind. Die Transkription des glob1 startet von zwei alternativen Promotoren (Promotor I und II), wodurch in Kombination mit alternativem Splicing vier Transkriptvarianten (Isoform A-D) entstehen, deren Translation jedoch in einer Proteinvariante (glob1) resultiert. Hypoxische Bedingungen führen zu einer vermutlich HIF (=‚hypoxia-inducible factor‘) -vermittelten Abnahme der glob1 Genexpression, wohingegen Hyperoxie eine leichte Zunahme der glob1 mRNA Menge bewirkt. Der mithilfe des UAS/Gal4- Systems erzeugte, RNAi-vermittelte glob1 Knockdown führt zu einer schlechteren Überlebensrate adulter Fliegen unter hypoxischen Bedingungen, einer verkürzten Erholungszeit nach hypoxischem Stupor in Weibchen sowie zu einer erhöhten Resistenz gegenüber dem ROS (=‘reactive oxygen species‘) -generierenden Herbizid Paraquat in Larven und adulten Weibchen. Diese Beobachtungen sprechen für eine Funktion des Drosophila glob1 innerhalb der O2-Versorgung. Unter hyperoxischen Bedingungen hingegen wurde kein Unterschied zwischen Fliegen mit wildtypischer und manipulierter glob1-Expression festgestellt, wodurch eine Beteiligung des glob1 bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies als mögliche Funktion vorerst ausscheidet. Bei glob2 und glob3 handelt es sich um duplizierte Gene. Auf phylogenetischen Rekonstruktionen basierend konnte die Entstehung der Globin-Duplikate auf ein Duplikationsereignis vor der Radiation des Subgenus Sophophora vor mindestens 40 Millionen Jahren zurückgeführt werden. Die durchgeführten Analysen zur molekularen Sequenzevolution der Globin-Duplikate deuten darauf hin, dass glob2 und glob3 nach der Duplikation eine Kombination aus Sub- und Neo-Funktionalisierungsprozessen durchlaufen haben. Glob2 und glob3 zeigen eine deckungsgleiche mRNA Expression, die auf die männliche Keimbahn beschränkt ist. Aufgrund des hohen Konservierungsgrads der für die Häm- und O2-Bindung essentiellen Aminosäuren kann von der Funktionalität beider Proteine ausgegangen werden. Die streng auf die männliche Keimbahn begrenzte Expression von glob2 und glob3 deutet auf eine Rolle der Globin-Duplikate innerhalb der Spermatogenese hin, die möglicherweise in einem Schutz der Spermatogenese vor oxidativem Stress besteht. Auch eine Beteiligung beim korrekten Ablauf der Spermien-Individualisierung, beispielsweise durch Regulation von Apoptoseprozessen wäre denkbar.