Novel Antimicrobial Peptides Bacterial Cellulose Obtained by Symbioses Culture Between Polyhexanide Biguanide (PHMB) and Green Tea

Bacterial cellulose is a highly hydrated pellicle made up of a random assembly of ribbon shaped fibers less than 5 nm wide. The unique properties provided by the nanometric structure have led to a number of diagnostic biological probes, display devices due to their unique size-dependent medical applications. Bacterial cellulose matrix extracellular is a novel biotechnology and unique medicine indicated for ultimate chronic wound treatment management, drug delivery, tissue engineering, skin cancer and offers an actual and effective solution to a serious medical and social problem and to promote rapid healing in lesions caused by Diabetic burns, ulcers of the lower limbs or any other circumstance in which there's epidermal or dermal loss. In this work, it is reported novel antimicrobial peptides (AMPs) bacterial cellulose/polyhexanide biguanide (PHMB) which are produced by symbioses culture between polyhexanide biguanide and green tea culture medium resulting in the pure 3-D structure consisting of an ultra-fine network of novel biocellulose/PHMB nanofibres matrix (2-8 nm), highly hydrated (99% in weight), and with higher molecular weight, full biocompatibility.

A New Cryptographic Scheme for Securing Dynamic Conferences in Data Networks

Dynamic conferencing refers to a scenario wherein any subset of users in a universe of users form a conference for sharing confidential information among themselves. The key distribution (KD) problem in dynamic conferencing is to compute a shared secret key for such a dynamically formed conference. In literature, the KD schemes for dynamic conferencing either are computationally unscalable or require communication among users, which is undesirable. The extended symmetric polynomial based dynamic conferencing scheme (ESPDCS) is one such KD scheme which has a high computational complexity that is universe size dependent. In this paper we present an enhancement to the ESPDCS scheme to develop a KD scheme called universe-independent SPDCS (UI-SPDCS) such that its complexity is independent of the universe size. However, the UI-SPDCS scheme does not scale with the conference size. We propose a relatively scalable KD scheme termed as DH-SPDCS that uses the UI-SPDCS scheme and the tree-based group Diffie- Hellman (TGDH) key exchange protocol. The proposed DH-SPDCS scheme provides a configurable trade-off between computation and communication complexity of the scheme.

Effect of pH-induced nanopowder deagglomeration on sintering, microstructure and dielectric properties of Ba0.77Ca0.23TiO3 ceramics

Ba0.77Ca0.23TiO3 ceramics were produced in this work starting from nanopowders synthesized via a polymeric precursor method. By adjusting the pH values of the precursor solutions above 7, it was possible to prepare powders weakly aggregated and with a smaller particle size, both facts which traduced into an enhanced nanopowders' sintering process at comparatively lower temperatures. Irrespective of the initial pH value, highly-dense and second phase-free ceramics were obtained following optimal sintering parameters (temperature and time) extracted from dilatometric and density measurements. By considering these and other sintering conditions, moreover, polycrystalline materials with an average grain size varying from 0.35 to 8 mm were produced, the grain growth process involving liquid phase-assisted sintering for heat treatments achieved at 1320 °C. The study of grain size effects on the ferroelectric properties of these materials was conducted, the results being discussed in the light of previous debates, including grain size-dependent degree of tetragonal distortion in such materials, as verified in this work.

Measurement and modeling of cloud condensation nuclei in continental air

Atmospheric aerosol particles serving as cloud condensation nuclei (CCN) are key elements of the hydrological cycle and climate. Knowledge of the spatial and temporal distribution of CCN in the atmosphere is essential to understand and describe the effects of aerosols in meteorological models. In this study, CCN properties were measured in polluted and pristine air of different continental regions, and the results were parameterized for efficient prediction of CCN concentrations.The continuous-flow CCN counter used for size-resolved measurements of CCN efficiency spectra (activation curves) was calibrated with ammonium sulfate and sodium chloride aerosols for a wide range of water vapor supersaturations (S=0.068% to 1.27%). A comprehensive uncertainty analysis showed that the instrument calibration depends strongly on the applied particle generation techniques, Köhler model calculations, and water activity parameterizations (relative deviations in S up to 25%). Laboratory experiments and a comparison with other CCN instruments confirmed the high accuracy and precision of the calibration and measurement procedures developed and applied in this study.The mean CCN number concentrations (NCCN,S) observed in polluted mega-city air and biomass burning smoke (Beijing and Pearl River Delta, China) ranged from 1000 cm−3 at S=0.068% to 16 000 cm−3 at S=1.27%, which is about two orders of magnitude higher than in pristine air at remote continental sites (Swiss Alps, Amazonian rainforest). Effective average hygroscopicity parameters, κ, describing the influence of chemical composition on the CCN activity of aerosol particles were derived from the measurement data. They varied in the range of 0.3±0.2, were size-dependent, and could be parameterized as a function of organic and inorganic aerosol mass fraction. At low S (≤0.27%), substantial portions of externally mixed CCN-inactive particles with much lower hygroscopicity were observed in polluted air (fresh soot particles with κ≈0.01). Thus, the aerosol particle mixing state needs to be known for highly accurate predictions of NCCN,S. Nevertheless, the observed CCN number concentrations could be efficiently approximated using measured aerosol particle number size distributions and a simple κ-Köhler model with a single proxy for the effective average particle hygroscopicity. The relative deviations between observations and model predictions were on average less than 20% when a constant average value of κ=0.3 was used in conjunction with variable size distribution data. With a constant average size distribution, however, the deviations increased up to 100% and more. The measurement and model results demonstrate that the aerosol particle number and size are the major predictors for the variability of the CCN concentration in continental boundary layer air, followed by particle composition and hygroscopicity as relatively minor modulators. Depending on the required and applicable level of detail, the measurement results and parameterizations presented in this study can be directly implemented in detailed process models as well as in large-scale atmospheric and climate models for efficient description of the CCN activity of atmospheric aerosols.

Nanopartikel und Nanokapseln als potentielle Wirkstofftransportsysteme : zelluläre Aufnahme in Leukozyten in peripherem Vollblut und in Zellkultur

Nanopartikuläre Wirkstofftransportsysteme besitzen ein großes Potential für therapeutische Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene grundlegende Aspekte, die für das erweiterte biologische Verständnis und die Entwicklung weiterer zielgerichteter Strategien zur Pharmakotherapie mit Nanopartikeln und –kapseln notwendig sind, näher untersucht. Experimente zur zellulären Aufnahmefähigkeit (in vitro und ex vivo) wurden mit verschiedenen Nanopartikeln und –kapseln aus diversen Monomeren und biokompatiblen Makromolekülen in immortalisierten Zellkulturlinien, humanen mesenchymalen Stammzellen und Leukozyten durchgeführt und durchflusszytometrisch sowie mittels konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie analysiert. Die Einflüsse der Oberflächenfunktionalisierungen der nanopartikulären Systeme, deren toxikologische Effekte sowie der Einfluss von adsorbiertem bovinem Serumalbumin auf funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln wurden in Bezug auf die zelluläre Aufnahme untersucht.Um die multiplen Wechselwirkungen der Nanopartikel mit Bestandteilen des humanen peripheren Vollblutes zu untersuchen, wurde erfolgreich ein durchflusszytometrisches Analyseverfahren in antikoaguliertem peripherem Vollblut (ex vivo) entwickelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss von Calcium-komplexierenden Antikoagulanzien zu einer Verringerung und nicht Li-Heparin zu einer Verstärkung der zellulären Aufnahme von funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln in diversen Leukozyten führt.Für Folsäure-gekoppelte Hydroxyethylstärke-Nanokapseln (Synthese Frau Dr. Grit Baier) konnte ein größenabhängiger selektiver, Folatrezeptor α vermittelter, zellulärer Aufnahmeweg in HeLa-Zellen nachgewiesen werden.Hydrolysierbare, nicht zytotoxische Polyester-Nanopartikel aus Poly(5,6-Benzo-2-methylen-1,3-dioxepan) (Synthese Herr Dr. Jörg Max Siebert) mit eingebettetem Paclitaxel zeigten in HeLa-Zellen eine vergleichbare pharmakologische Wirkung wie kommerziell erhältliche Paclitaxel-Formulierungen.Die in dieser Arbeit eingesetzten Nanopartikel und Nanokapseln besitzen ein vielfältiges Potential als Wirkstofftransportsysteme. Es zeigte sich, dass Unterschiede bei der Größe, der Größenverteilung, des Polymers sowie der Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel bedeutende Unterschiede der Zellaufnahme in diversen Zellkulturlinien (in vitro) und Leukozyten in peripherem Vollblut (ex vivo) zur Folge haben.

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Emissions- und Anregungsspektroskopie einzelner Halbleiternanokristalle bei kryogenen Temperaturen

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Synthese und Charakterisierung nanoskopischer Objekte zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. Insbesondere die Größenabhängigkeit optischer Eigenschaften in Halbleiternanokristallen eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. Das Verständnis der größenabhängigen elektronischen Struktur derartiger Nanokristalle ist ein interessantes Feld der Grundlagenforschung, da sie den Übergang vom Atom zum makroskopischen Material repräsentieren. Die Einzigartigkeit eines jeden Nanokristalls aufgrund von Inhomogenitäten in Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit erfordert die Untersuchung der elektronischen Struktur mittels der Spektroskopie einzelner Nanokristalle.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie einzelner CdSe/ZnS-Nanokristalle bei kryogenen Temperaturen etabliert und für Partikel verschiedener Größen eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein konfokales Mikroskop aufgebaut, das die Spektroskopie einzelner Emitter in einem Temperaturbereich von 1.4 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Die zur Anregungsspektroskopie angewendete Methode erlaubte die Untersuchung des vollen Spektralbereichs des 1S3/2-1Se-Exzitons, der sogenannten exzitonischen Feinstruktur. Obwohl es sich bei dem niederenergetischsten Übergang um einen verbotenen Übergang handelt, konnte dieser regelmäßig detektiert werden. Die Energieseparationen der beiden niederenergetischsten Übergänge wurden in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des etablierten EMA-Modells gefunden. Für die weiteren Übergänge zeigten die Experimente, dass deren Energiedifferenz zum niederenergetischsten Übergang vom EMA-Modell unterschätzt wird. Abschließend wurde die Polarisationsabhängigkeit der Übergänge in verschiedene Zustände der exzitonischen Feinstruktur untersucht, wobei theoretische Vorhersagen der relativen Orientierung der Übergangsdipole der beiden niederenergetischsten Zustände bestätigt werden konnten.rn

Synthese und Charakterisierung von HPMA-stabilisierten Kolloiden sowie deren Evaluierung in vitro und in vivo

Nanodimensionale Wirkstoff-Trägersysteme sind in der Lage, sowohl die Bioverfügbarkeit als auch das pharmakokinetische Profil von Wirkstoffen drastisch zu verbessern. Hauptgründe dafür sind eine erhöhte Plasma-Halbwertszeit durch die größenbedingte verminderte renale Ausscheidung und eine gesteigerte Anreicherung im Tumorgewebe durch den EPR-Effekt. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Entwicklung neuer kolloidaler Wirkstoff-Trägersysteme, welche biokompatibel, teilweise bioabbaubar und funktionalisierbar sind. Ein Fluoreszenzfarbstoff wurde als hydrophobes Wirkstoffmodell eingekapselt. Wohldefinierte, eng verteilte und funktionalisierbare HPMA-basierte Block- und statistische Copolymere unterschiedlicher Molekulargewichte (10-25 kDa) und hydrophiler/hydrophober Zusammensetzung (10-50 mol%) wurden mittels RAFT- Polymerisation in Kombination mit dem Reaktivesteransatz hergestellt und in Miniemulsionsprozesse eingesetzt, um ihre Stabilisierungseffizienz zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die kleineren Copolymere (10 kDa) mit einem Einbau von 10 mol% LMA, sowohl im Modellsystem Polystyrol, als auch im bioabbaubaren PDLLA-System, besonders geeignet sind und ergaben monodisperse Kolloide im Größenbereich von 100 bis 300 nm. Die kolloidalen Systeme zeigten keine Wirkung auf die Zellviabilität. In Folge dessen wurde das Aggregationsverhalten in humanem Blutserum mittels DLS untersucht, wobei keine Interaktion mit Blutbestandteilen festgestellt werden konnte. Zellaufnahmestudien wurden an HeLa-Zellen durchgeführt, um das Schicksal der Kolloide in vitro zu untersuchen. Dabei wurden Kernmaterial, Hülle und das hydrophobe Wirkstoffmodell durch unterschiedliche Fluoreszenzmarkierung getrennt betrachtet. Das hydrophobe Wirkstoffmodell wurde allein durch Interaktion der Kolloide mit den Zellen übertragen, was für eine diffusionsbedingte, initiale, aber unspezifische Freisetzung spricht. Eine solche Freisetzungskinetik kann durch Verwendung von Nitroglycerin, als vasodilatierender Wirkstoff mit geringer unspezifischer Wirkung, ausgenutzt werden, um den EPR-Effekt zu unterstützen. Die Aufnahme des Partikels hingegen geschieht zeitverzögert. Das Schicksal der Kolloide (sowohl des Kern- und desrnHüllmaterials) wurde durch doppelte Fluoreszenzmarkierung untersucht. Dabei kam es zu einer intrazellulären Ablösung der stabilisierenden Block-Copolymere zwischen 8 und 24 h. Nach Aufklärung der Aufnahme- und Freisetzungskinetiken wurde nun die Körperverteilung der PS- und PDLLA-Kolloide nach 18F-Markierung mittels PET und ex vivo-Biodistributiosstudien untersucht. Dabei hatte das Kernmaterial einen Einfluss auf die Körperverteilung. PET-Studien in Mäusen zeigten, dass die stabilisierenden Block-Copolymere beider Kolloide ein starkes Signal in der Niere geben, wobei das der PS-Kolloide weiter ausgeprägt war. Darüber hinaus war eine Anreicherung dieser in Lunge, Leber und Milz festzustellen. Die Verdrängung der stabilisierenden Polymere durch die Interaktion mit Blutbestandteilen erklärt dabei das erhöhte Nieren- und Blasensignal der PS- Kolloide. Das Anreicherungsmuster der PDLLA-Kolloide hingegen zeigte neben der Nierenakkumulation eine erhöhte Blutaktivität und somit die gewünschten langzirkulierenden Eigenschaften. Diese Ergebnisse konnten auch mittels ex vivo- Biodistributionsstudien bestätigt werden. Um die Tumoranreicherung weiter zu verbessern wurde die Verwendung von Folat als Erkennungsstruktur am einfachen HPMA-Polymer untersucht. Die Konjugate zeigten eine erhöhte Anreicherung im Vergleich zu den Polymeren ohne Erkennungsstrukturen. Blockadestudien bestätigten die Selektivität der Anreicherung. Diese Daten zeigen das Potential der Folat-Erkennungsstruktur in vivo innerhalb kurzer Zeitfenster, welche nun auf kolloidale Systeme übertragen werden kann.

In vitro cytotoxicity of silver nanoparticles on osteoblasts and osteoclasts at antibacterial concentrations

Abstract Nanoparticulate silver coatings for orthopaedic implants promise to decrease postoperative infection rates. However, silver-induced cytotoxicity on bone cells has not been investigated in detail. This study investigated the cytotoxic effects of silver nano- and microparticles and Ag(+) on osteoblasts (OBs) and osteoclasts (OCs) and correlated their effects with the antibacterial efficacy on Staphylococcus epidermidis. Silver nanoparticles (50 nm) exhibited strong cytotoxic effects on OBs and OCs. Weak cytotoxic effects were observed for silver microparticles (3 μm). The cytotoxicity was primarily mediated by a size-dependent release of Ag(+). Antibacterial effects occurred at Ag(+) concentrations that were 2-4 times higher than those inducing cytotoxic effects. Such adverse effects on OB and OC survival may have deleterious effects on the biocompatibility of orthopaedic implants. Our study represents an important step toward the detailed investigation of orthopaedic implant with nanoparticulate silver coatings prior to their widespread clinical usage.

Investigating The Fate Of Positively Charged Nanoparticles In A Soil Environment

The recent increase in the amount of nanoparticles incorporated into commercial products is accompanied by a rising concern of the fate of these nanoparticles. Once released into the environment, it is inevitable that the nanoparticles will come into contact with the soil, introducing them to various routes of environmental contamination. One route that was explored in this research was the interaction between nanoparticles and clay minerals. In order to better define the interactions between clay minerals and positively charged nanoparticles, in situ atomic force microscopy (AFM) was utilized. In situ AFM experiments allowed interactions between clay minerals and positively charged nanoparticles to be observed in real time. The preliminary results demonstrated that in situ AFM was a reliable technique for studying the interactions between clay minerals and positively charged nanoparticles and showed that the nanoparticles affected the swelling (height) of the clay quasi-crystals upon exposure. The preliminary AFM data were complemented by batch study experiments which measured the absorbance of the nanoparticle filtrate after introduction to clay minerals in an effort to better determine the mobility of the positively charged nanoparticles in an environment with significant clay contribution. The results of the batch study indicated that the interactions between clay minerals and positively charged nanoparticles were size dependent and that the interactions of the different size nanoparticles with the clay may be occurring to different degrees. The degree to which the different size nanoparticles were interacting with the clay was further probed using FTIR (Fourier transform infrared) spectroscopy experiments. The results of these experiments showed that interactions between clay minerals and positively charged nanoparticles were size dependent as indicated by a change in the FTIR spectra of the nanoparticles upon introduction to clay.

Molecular characterization of HOXA13 polyalanine expansion proteins in hand-foot-genital syndrome

We report on a father and daughter with hand-foot-genital syndrome (HFGS) with typical skeletal and genitourinary anomalies due to a 14-residue polyalanine expansion in HOXA13. This is the largest (32 residues) polyalanine tract so far described for any polyalanine mutant protein. Polyalanine expansion results in protein misfolding, cytoplasmic aggregation and degradation; however, HOXA13 polyalanine expansions appear to act as loss of function mutations in contrast to gain of function for HOXD13 polyalanine expansions. To address this paradox we examined the cellular consequences of polyalanine expansions on HOXA13 protein using COS cell transfection and immunocytochemistry. HOXA13 polyalanine expansion proteins form cytoplasmic aggregates, and distribution between cytoplasmic aggregates or the nucleus is polyalanine tract size-dependent. Geldanamycin, an Hsp90 inhibitor, reduces the steady-state abundance of all polyalanine-expanded proteins in transfected cells. We also found that wild-type HOXA13 or HOXD13 proteins are sequestered in HOXA13 polyalanine expansion cytoplasmic aggregates. Thus, the difference between HOXA13 polyalanine expansion loss-of-function and HOXD13 polyalanine expansion dominant-negative effect is not the ability to aggregate wild-type group 13 paralogs but perhaps to variation in activities associated with refolding, aggregation or degradation of the proteins.

Translocation of particles and inflammatory responses after exposure to fine particles and nanoparticles in an epithelial airway model

ABSTRACT: BACKGROUND: Experimental studies provide evidence that inhaled nanoparticles may translocate over the airspace epithelium and cause increased cellular inflammation. Little is known, however, about the dependence of particle size or material on translocation characteristics, inflammatory response and intracellular localization. RESULTS: Using a triple cell co-culture model of the human airway wall composed of epithelial cells, macrophages and dendritic cells we quantified the entering of fine (1 mum) and nano-sized (0.078 mum) polystyrene particles by laser scanning microscopy. The number distribution of particles within the cell types was significantly different between fine and nano-sized particles suggesting different translocation characteristics. Analysis of the intracellular localization of gold (0.025 mum) and titanium dioxide (0.02-0.03 mum) nanoparticles by energy filtering transmission electron microscopy showed differences in intracellular localization depending on particle composition. Titanium dioxide nanoparticles were detected as single particles without membranes as well as in membrane-bound agglomerations. Gold nanoparticles were found inside the cells as free particles only. The potential of the different particle types (different sizes and different materials) to induce a cellular response was determined by measurements of the tumour necrosis factor-alpha in the supernatants. We measured a 2-3 fold increase of tumour necrosis factor-alpha in the supernatants after applying 1 mum polystyrene particles, gold nanoparticles, but not with polystyrene and titanium dioxide nanoparticles. CONCLUSION: Quantitative laser scanning microscopy provided evidence that the translocation and entering characteristics of particles are size-dependent. Energy filtering transmission electron microscopy showed that the intracellular localization of nanoparticles depends on the particle material. Both particle size and material affect the cellular responses to particle exposure as measured by the generation of tumour necrosis factor-alpha.

First-principles studies of boron nanostructures

Boron is an 'electron deficient' element which has a rather fascinating chemical versatility. In the solid state, the elemental boron has neither a pure covalent nor a pure metallic character. As a result, its vast structural dimensionally and peculiar bonding features hold a unique place among other elements in the periodic table. In order to understand and properly describe these unusual bonding features, a detailed and systematic theoretical study is needed. In this work, I will show that some of the qualitative features of boron nanostructures, including clusters, sheets and nanotubes can easily be extracted from the results of first principles calculations based on density functional theory. Specifically, the size-dependent evolution of topological structures and bonding characteristics of boron clusters, Bn will be discussed. Based on the scenario observed in the boron clusters, the unique properties of boron sheets and boron nanotubes will be described. Moreover, the ballistic electron transport in single-walled carbon nanotubes will be considered. It is expected that the theoretical results obtained in the present thesis will initiate further studies on boron nanostructures, which will be helpful in understanding, designing and realizing boron-based nanoscale devices.

Evolutionary demography of long-lived monocarpic perennials: a time-lagged integral projection model

1. The evolution of flowering strategies (when and at what size to flower) in monocarpic perennials is determined by balancing current reproduction with expected future reproduction, and these are largely determined by size-specific patterns of growth and survival. However, because of the difficulty in following long-lived individuals throughout their lives, this theory has largely been tested using short-lived species (< 5 years). 2. Here, we tested this theory using the long-lived monocarpic perennial Campanula thyrsoides which can live up to 16 years. We used a novel approach that combined permanent plot and herb chronology data from a 3-year field study to parameterize and validate integral projection models (IPMs). 3. Similar to other monocarpic species, the rosette leaves of C. thyrsoides wither over winter and so size cannot be measured in the year of flowering. We therefore extended the existing IPM framework to incorporate an additional time delay that arises because flowering demography must be predicted from rosette size in the year before flowering. 4. We found that all main demographic functions (growth, survival probability, flowering probability and fecundity) were strongly size-dependent and there was a pronounced threshold size of flowering. There was good agreement between the predicted distribution of flowering ages obtained from the IPMs and that estimated in the field. Mostly, there was good agreement between the IPM predictions and the direct quantitative field measurements regarding the demographic parameters lambda, R-0 and T. We therefore conclude that the model captures the main demographic features of the field populations. 5. Elasticity analysis indicated that changes in the survival and growth function had the largest effect (c. 80%) on lambda and this was considerably larger than in short-lived monocarps. We found only weak selection pressure operating on the observed flowering strategy which was close to the predicted evolutionary stable strategy. 6. Synthesis. The extended IPM accurately described the demography of a long-lived monocarpic perennial using data collected over a relatively short period. We could show that the evolution of flowering strategies in short- and long-lived monocarps seem to follow the same general rules but with a longevity-related emphasis on survival over fecundity.

Sizing up your enemy: individual predation vulnerability predicts migratory probability

Partial migration, in which a fraction of a population migrate and the rest remain resident, occurs in an extensive range of species and can have powerful ecological consequences. The question of what drives differences in individual migratory tendency is a contentious one. It has been shown that the timing of partial migration is based upon a trade-off between seasonal fluctuations in predation risk and growth potential. Phenotypic variation in either individual predation risk or growth potential should thus mediate the strength of the trade-off and ultimately predict patterns of partial migration at the individual level (i.e. which individuals migrate and which remain resident). We provide cross-population empirical support for the importance of one component of this model—individual predation risk—in predicting partial migration in wild populations of bream Abramis brama, a freshwater fish. Smaller, high-risk individuals migrate with a higher probability than larger, low-risk individuals, and we suggest that predation risk maintains size-dependent partial migration in this system.