Entwicklung und Anwendung molekularbiologischer Methoden zur Art- und Stamm-Identifizierung pro- und eukaryotischer Organismen

Das Wachstum von Milchsäurebakterien-Arten der Gattungen Lactobacillus, Pediococcus und Leuconostoc während der Weinfermentation kann durch die Bildung verschiedener Stoffwechselprodukte zu Weinfehlern führen. Um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können und einem Weinverderb vorzubeugen, bedarf es geeigneter Identifizierungsmethoden. Klassische mikrobiologische Methoden reichen oft nicht aus, um Mikroorganismen auf Art- und Stammniveau gezielt zu identifizieren. Wegen ihrer schnellen Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit sind molekularbiologische Identifizierungsmethoden zur Kontrolle der mikrobiellen Flora während der Lebensmittelfermentierung in der heutigen Zeit unabdingbar. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden die 23S rRNA-Gensequenzen von neun Pediococcus-Typstämmen sequenziert, analysiert und phylogenetische Analysen durchgeführt. Zur Art-Identifizierung der Pediokokken wurden PCR-Primer generiert und ein Multiplex PCR System entwickelt, mit dem alle typischen Arten simultan in einer Reaktion nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Multiplex PCR-Identifizierung von 62 Pediococcus-Stämmen aus Kulturensammlungen und 47 neu isolierten Stämmen aus Wein zeigten, dass einige Stämme unter falschen Artnamen hinterlegt waren, und dass P. parvulus im Weinanbaugebiet Rheinhessen weit verbreitet war. Die Fähigkeit der Pediococcus-Stämme zur Exopolysaccharid-Synthese wurde durch den Nachweis zweier Gene überprüft. Auf Basis der 23S rDNA-Sequenzen wurden rRNA-Sekundärstrukturen mit der neu entwickelten Software Structure Star generiert, die zum Auffinden von Zielbereichen für fluoreszenzmarkierte DNA-Sonden geeignet waren. Die Sequenzunterschiede zwischen den Pediococcus-Arten reichten aus, um zwei Gruppen durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung differenzieren zu können. Die Verwendung unmarkierter Helfer-sonden verbesserte die Zugänglichkeit der Sonden an die rRNA, wodurch das Fluoreszenz-Signal verstärkt wurde. Um Milchsäurebakterien durch Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese differenzieren zu können, wurden Primer entwickelt, mit denen ein hochvariabler 23S rDNA-Bereich amplifiziert werden konnte. Die Nested Specifically Amplified Polymorphic DNA (nSAPD)-PCR wurde in der vorliegenden Arbeit zur Art- und Stamm-Differenzierung pro- und eukaryotischer Organismen angewandt. Es wurden vor allem weinrelevante Milchsäurebakterien der Gattungen Oenococcus, Lactobacillus, Pediococcus und Leuconostoc und Hefen der Gattungen Dekkera / Brettanomyces und Saccharomyces untersucht. Die Cluster-Analyse der Pediococcus-Typstämme führte zu einer unterschiedlichen Baum-Topologie im Vergleich zum phylogenetischen 23S rDNA-Stammbaum. Die Verwandtschaftsverhältnisse der untersuchten O. oeni-Stämme aus Starterkulturen konnten in Bezug auf eine frühere Cluster-Analyse reproduziert werden. Die Untersuchung von 40 B. bruxellensis-Stämmen aus rheinhessischen Weinproben zeigte eine Gruppierung der Stämme gemäß dem Ort der Probennahme. Beim Vergleich der Verwandtschaftsverhältnisse von Stämmen der Arten P. parvulus und B. bruxellensis, die aus denselben Weinproben isoliert wurden, konnte eine hohe Übereinstimmung der beiden Baum-Topologien beobachtet werden. Anhand der SAPD-PCR Untersuchung von Sekthefen aus Starterkulturen konnten alle Stämme der Art S. cerevisiae zugeordnet werden. Die nSAPD-PCR war darüber hinaus geeignet, um höhere Eukaryoten wie Weinreben zu differenzieren und es konnten die Verwandtschaftsverhältnisse von Mäusen und menschlichen Individuen durch Cluster-Analysen nachvollzogen werden. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik wurden (n)SAPD-Marker in SCAR-Marker konvertiert. Die neu generierten SCAR-Primer konnten zur simultanen Art-Identifizierung von sieben weinschädlichen Milchsäurebakterien in einer Multiplex PCR erfolgreich eingesetzt werden. Die in dieser Arbeit entwickelten molekularbiologischen Identifizierungsmethoden können zum Beispiel in der mikrobiologischen Qualitätskontrolle Anwendung finden.

Diversity of microbial communities at shallow-hydrothermal vents off Dominica, Lesser Antilles

Hydrothermal vents are often compared to desert oases, because of the presence of highly diverse and abundant biotic communities inhabiting these extreme environments. Nevertheless, the microbial communities associated with shallow-hydrothermal systems have been poorly studied. Hydrothermal activity at Dominica Island is quite well known under the geological and geochemical aspects, but no previous information existed about the microbial communities associated to this area. This thesis is therefore targeting the microbiology of hydrothermal sediments combining geochemical and molecular biological investigations, focusing on differences between hydrothermal vents and background (i.e. control) areas, and between hydrothermal sites. It was also intended to assess relationship between geochemical parameters and microbial diversity at the two hydrothermally impacted sites. Two shallow-sea hydrothermal vents located south-west off Dominica Island (Lesser Antilles) have been investigated in this study: Champagne Hot Springs and Soufriere Bay offshore vent. During this study, sediments for geochemical and molecular analyses were collected every 2 cm from the two impacted areas and from two control sites not associated with hydrothermal activity; in situ temperatures measurements were also taken every 5 cm deep in the sediment for all the sites. A geochemical characterization of the sediment porewater was performed through the analysis of several elements’ concentrations (i.e. H2S, Cl-, Br-, SO42-, Fe2+, Na+, K+, B+, Si+). Microbial communities at the different sites were studied by Automated Intergenic Spacer Analysis (ARISA). Inspection of the operational taxonomic units (OTUs) distribution was performed, as well as statistical analyses for communities’ structure and composition differences, and for changes of β-diversity along with sediment geochemistry. Data suggested that mixing between hydrothermal fluids and seawater results in distinct different environmental gradients and potential ecological niches between the two investigated hydrothermal vents, reflecting a difference in microbial community structures between them.

Spectral theory of differential operators on finite metric graphs and on bounded domains

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Spektraltheorie von Differentialoperatoren auf metrischen Graphen und von indefiniten Differentialoperatoren auf beschränkten Gebieten. Sie besteht aus zwei Teilen. Im Ersten werden endliche, nicht notwendigerweise kompakte, metrische Graphen und die Hilberträume von quadratintegrierbaren Funktionen auf diesen betrachtet. Alle quasi-m-akkretiven Laplaceoperatoren auf solchen Graphen werden charakterisiert, und Abschätzungen an die negativen Eigenwerte selbstadjungierter Laplaceoperatoren werden hergeleitet. Weiterhin wird die Wohlgestelltheit eines gemischten Diffusions- und Transportproblems auf kompakten Graphen durch die Anwendung von Halbgruppenmethoden untersucht. Eine Verallgemeinerung des indefiniten Operators $-tfrac{d}{dx}sgn(x)tfrac{d}{dx}$ von Intervallen auf metrische Graphen wird eingeführt. Die Spektral- und Streutheorie der selbstadjungierten Realisierungen wird detailliert besprochen. Im zweiten Teil der Arbeit werden Operatoren untersucht, die mit indefiniten Formen der Art $langlegrad v, A(cdot)grad urangle$ mit $u,vin H_0^1(Omega)subset L^2(Omega)$ und $OmegasubsetR^d$ beschränkt, assoziiert sind. Das Eigenwertverhalten entspricht in Dimension $d=1$ einer verallgemeinerten Weylschen Asymptotik und für $dgeq 2$ werden Abschätzungen an die Eigenwerte bewiesen. Die Frage, wann indefinite Formmethoden für Dimensionen $dgeq 2$ anwendbar sind, bleibt offen und wird diskutiert.

Molecular genetic investigation of the Neolithic population history in the western Carpathian Basin

Der Fokus dieser Dissertation ist die populationsgenetische Analyse der neolithischen Bevölkerungswechsel in den 6.-5. Jahrtausende vor Christus, die im westlichen Karpatenbecken stattfanden. Die Zielsetzung der Studie war, mittels der Analyse von mitochondrialer und Y-chromosomaler aDNA, den Genpool der sechs neolithischen und kupferzeitlichen Populationen zu untersuchen und die daraus resultierenden Ergebnisse mit anderen prähistorischen und modernen genetischen Daten zu vergleichen.rnInsgesamt wurden 323 Individuen aus 32 ungarischen, kroatischen und slowakischen Fundplätzen beprobt und bearbeitet in den archäogenetischen Laboren der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz. Die DNA Ergebnisse wurden mit verschiedenen populationsgenetischen Methoden ausgewertet. Vergleichsdaten von prähistorischen und modernen eurasiatischen Populationen wurden dazu gesammelt.rnDie HVS-I Region der mitochondrialen DNA konnten bei 256 Individuen reproduziert und authentifiziert werden (mit einer Erfolgsrate von 85.9%). Die Typisierung der HVS-II Region war in 80 Fällen erfolgreich. Testend alle gut erhaltene Proben, die Y-chromosomale Haplogruppe konnte in 33 männlichen Individuen typisiert werden.rnDie neolithischen, mitochondrialen Haplogruppen deuten auf eine hohe Variabilität des maternalen Genpools hin. Sowohl die mitochondrialen als auch die Y-chromosomalen Daten lassen Rückschlüsse auf eine nah-östliche bzw. südwestasiatische Herkunft der frühen Bauern zu. Die Starčevo- und linearbandkermaischen-Populationen in westlichem Karpatenbecken (letztere abgekürzt als LBKT) und die linearbandkermaischen-Population in Mitteleuropa (LBK) haben so starke genetische Ähnlichkeit, dass die Verbreitung der LBK nach Mitteleuropa mit vorangegangenen Wanderungsereignissen zu erklären ist. Die Transdanubische aDNA Daten zeigen hohe Affinität zu den publizierten prähistorischen aDNA Datensätzen von Mitteleuropa aus den 6.-4. Jahrtausende vor Chr. Die maternal-genetische Variabilität der Starčevo-Population konnte auch innerhalb der nachfolgenden Populationen Transdanubiens festgestellt werden. Nur kleinere Infiltrationen und Immigrationsereignissen konnten während der Vinča-, LBKT-, Sopot- und Balaton-Lasinja-Kultur in Transdanubien identifiziert werden. Zwischen den transdanubischen Regionen konnten mögliche genetische Unterschiede nur in der LBKT und in der Lengyel-Periode beobachtet werden, als sich die nördlichen Gruppen von den südlichen Populationen trennten. rnDie festgestellte Heterogenität der mtDNA in Zusammenhang mit der Y-chromosomalen Homogenität in den Starčevo- und LBK-Populationen, weisen auf patrilokale Residenzregeln und patrilineare Abstammungsregeln in den ersten Bauergemeinschaften hin. rnObwohl die hier präsentierten Daten einen großen Fortschritt in der Forschung von aDNA und Neolithikum des Karpatenbeckens und Mitteleuropas bedeuten, werfen sie auch mehrere Fragen auf, deren Beantwortung durch zukünftige Genomforschungen erbracht werden könnte.

Measurement of the W+ W- cross section in sqrt(s) = 7 TeV pp collisions with ATLAS

This Letter presents a measurement of the W+ W- production cross section in sqrt(s) = 7  TeV pp collisions by the ATLAS experiment, using 34  pb(-1) of integrated luminosity produced by the Large Hadron Collider at CERN. Selecting events with two isolated leptons, each either an electron or a muon, 8 candidate events are observed with an expected background of 1.7 ± 0.6 events. The measured cross section is 41(-16)(+20)(stat) ± 5(syst)±1(lumi)  pb, which is consistent with the standard model prediction of 44 ± 3  pb calculated at next-to-leading order in QCD.

Search for a heavy particle decaying into an electron and a muon with the ATLAS detector in sqrt[s] = 7 TeV pp collisions at the LHC

This Letter presents the first search for a heavy particle decaying into an e ± μ(-/+) final state in sqrt[s] = 7 TeV pp collisions at the LHC. The data were recorded by the ATLAS detector during 2010 and correspond to a total integrated luminosity of 35 pb(-1). No excess above the standard model background expectation is observed. Exclusions at 95% confidence level are placed on two representative models. In an R-parity violating supersymmetric model, tau sneutrinos with a mass below 0.75 TeV are excluded, assuming all R-parity violating couplings are zero except λ(311)' = 0.11 and λ312 = 0.07. In a lepton flavor violating model, a Z'-like vector boson with masses of 0.70-1.00 TeV and corresponding cross sections times branching ratios of 0.175-0.183 pb is excluded. These results extend to higher mass R-parity violating sneutrinos and lepton flavor violating Z's than previous constraints from the Tevatron.

Measurement of dijet azimuthal decorrelations in pp collisions at sqrt(s)=7 TeV

Azimuthal decorrelations between the two central jets with the largest transverse momenta are sensitive to the dynamics of events with multiple jets. We present a measurement of the normalized differential cross section based on the full data set (∫Ldt=36  pb(-1)) acquired by the ATLAS detector during the 2010 sqrt(s)=7  TeV proton-proton run of the LHC. The measured distributions include jets with transverse momenta up to 1.3 TeV, probing perturbative QCD in a high-energy regime.

Search for supersymmetry using final states with one lepton, jets, and missing transverse momentum with the ATLAS detector in √s=7 TeV pp collisions

This Letter presents the first search for supersymmetry in final states containing one isolated electron or muon, jets, and missing transverse momentum from √s=7  TeV proton-proton collisions at the LHC. The data were recorded by the ATLAS experiment during 2010 and correspond to a total integrated luminosity of 35  pb(-1). No excess above the standard model background expectation is observed. Limits are set on the parameters of the minimal supergravity framework, extending previous limits. Within this framework, for A(0)=0 GeV, tanβ=3, and μ>0 and for equal squark and gluino masses, gluino masses below 700 GeV are excluded at 95% confidence level.

Search for diphoton events with large missing transverse energy in 7 TeV proton-proton collisions with the ATLAS detector

A search for diphoton events with large missing transverse energy is presented. The data were collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at √s=7 TeV at the CERN Large Hadron Collider and correspond to an integrated luminosity of 3.1 pb⁻¹. No excess of such events is observed above the standard model background prediction. In the context of a specific model with one universal extra dimension with compactification radius R and gravity-induced decays, values of 1/R<729 GeV are excluded at 95% C. L., providing the most sensitive limit on this model to date.

Search for a standard model Higgs boson in the H→ZZ→ℓ(+)ℓ(-)νν decay channel with the ATLAS detector

A search for a heavy standard model Higgs boson decaying via H→ZZ→→ℓ(+)ℓ(-)νν, where ℓ=e, μ, is presented. It is based on proton-proton collision data at √s=7 TeV, collected by the ATLAS experiment at the LHC in the first half of 2011 and corresponding to an integrated luminosity of 1.04 fb(-1). The data are compared to the expected standard model backgrounds. The data and the background expectations are found to be in agreement and upper limits are placed on the Higgs boson production cross section over the entire mass window considered; in particular, the production of a standard model Higgs boson is excluded in the region 340dence level.

Outcome of treated anogenital intraepithelial neoplasia among human immunodeficiency virus-infected women

OBJECTIVE: To determine characteristics and clinical course of high-grade anogenital intraepithelial neoplasia (AIN) in human immunodeficiency virus (HIV)-infected women. STUDY DESIGN: HIV-positive women with biopsy-proven high-grade (II and III) vulvar (VIN), vaginal (VAIN) or perianal intraepithelial neoplasia (PAIN) were identified in the electronic databases of 2 colposcopy clinics. RESULTS: A total of 31 patients were identified from 1992 to 2007, of which 30 had a mean follow-up of 47.7 months (SD = 46.0; range, 2.6-166.2). Of the patients, 77.4% had VIN, 12.9% VAIN and 9.7% PAIN at first diagnosis. Age at diagnosis of IN was 36.2 years (SD +/- 5.2; range, 23.5-47.0). Ninety percent of patients received antiretroviral therapy at first diagnosis of IN; 65% (13 of 20) of patients with a follow-up of > 2 years required a second treatment, and 2 developed invasive vulvar cancer (10%). CONCLUSION: AIN among HIV-positive women shows a high relapse rate despite treatment modality used and a substantial invasive potential.

Physical modeling of air injection as a scour remediation technique near gated weir stilling basins

The South Florida Water Management District (SFWMD) manages and operates numerous water control structures that are subject to scour. In an effort to reduce scour downstream of these gated structures, laboratory experiments were performed to investigate the effect of active air-injection downstream of the terminal structure of a gated spillway on the depth of the scour hole. A literature review involving similar research revealed significant variables such as the ratio of headwater-to-tailwater depths, the diffuser angle, sediment uniformity, and the ratio of air-to-water volumetric discharge values. The experimental design was based on the analysis of several of these non-dimensional parameters. Bed scouring at stilling basins downstream of gated spillways has been identified as posing a serious risk to the spillway’s structural stability. Although this type of scour has been studied in the past, it continues to represent a real threat to water control structures and requires additional attention. A hydraulic scour channel comprised of a head tank, flow straightening section, gated spillway, stilling basin, scour section, sediment trap, and tail-tank was used to further this analysis. Experiments were performed in a laboratory channel consisting of a 1:30 scale model of the SFWMD S65E spillway structure. To ascertain the feasibility of air injection for scour reduction a proof-of-concept study was performed. Experiments were conducted without air entrainment and with high, medium, and low air entrainment rates for high and low headwater conditions. For the cases with no air entrainment it was found that there was excessive scour downstream of the structure due to a downward roller formed upon exiting the downstream sill of the stilling basin. When air was introduced vertically just downstream of, and at the same level as, the stilling basin sill, it was found that air entrainment does reduce scour depth by up to 58% depending on the air flow rate, but shifts the deepest scour location to the sides of the channel bed instead of the center. Various hydraulic flow conditions were tested without air injection to verify which scenario caused more scour. That scenario, uncontrolled free, in which water does not contact the gate and the water elevation in the stilling basin is lower than the spillway crest, would be used for the remainder of experiments testing air injection. Various air flow rates, diffuser elevations, air hole diameters, air hole spacings, diffuser angles and widths were tested in over 120 experiments. Optimal parameters include air injection at a rate that results in a water-to-air ratio of 0.28, air holes 1.016mm in diameter the entire width of the stilling basin, and a vertically orientated injection pattern. Detailed flow measurements were collected for one case using air injection and one without. An identical flow scenario was used for each experiment, namely that of a high flow rate and upstream headwater depth and a low tailwater depth. Equilibrium bed scour and velocity measurements were taken using an Acoustic Doppler Velocimeter at nearly 3000 points. Velocity data was used to construct a vector plot in order to identify which flow components contribute to the scour hole. Additionally, turbulence parameters were calculated in an effort to help understand why air-injection reduced bed scour. Turbulence intensities, normalized mean flow, normalized kinetic energy, and anisotropy of turbulence plots were constructed. A clear trend emerged that showed air-injection reduces turbulence near the bed and therefore reduces scour potential.

Effects of Gender on the Incidence of Cardiac Tamponade Following Catheter Ablation of Atrial Fibrillation: Results from a Worldwide Survey in 34,943 AF Ablation Procedures.

BACKGROUND -Cardiac tamponade is the most dramatic complication observed during atrial fibrillation (AF) ablation and the leading cause of procedure-related mortality. Female gender is a known risk factor for complications during AF ablation; however, it is unknown whether women have a higher risk of tamponade. METHODS AND RESULTS -A systematic Medline search was used to locate academic electrophysiologic (EP) centers that reported cases of tamponade occurring during AF ablation. Centers were asked to provide information on cases of acute tamponade according to gender and their mode of management including any case of related mortality. Nineteen EP centers provided information on 34,943 ablation procedures involving 25,261 (72%) males. Overall 289 (0.9%) cases of tamponade were reported: 120 (1.24%) in females and 169 (0.67%) in males (odds ratio 1.83, P<0.001). There was a reciprocal association between center volume and the occurrence of tamponade with substantial lower risk in high volume centers. Most cases of tamponade occurred during catheter manipulation or ablation; females tended to develop more tamponades during transseptal catheterization. No gender difference in the mode of management was observed. However, 16% cases of tamponade required surgery with lower rates in high volume centers. Three cases of tamponade (1%) culminated in death. CONCLUSIONS -Tamponade during AF ablation procedures is relatively rare. Women have an almost twofold higher risk for developing this complication. The risk of tamponade among women decreases substantially in high volume centers. Surgical back-up and acute management skills for treating tamponade are important in centers performing AF ablation.