07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Understanding the mechanisms of robustness in intracellular protein signalling cascades and gene expression(2018) Paul, Debdas; Radde, Nicole (Prof. Dr. rer. nat.)We seek to understand the structural as well as the mechanistic basis of robustness in intracellular protein signalling cascades and in transcriptional regulation of gene expression. For protein signalling cascades, we employ a comparison based study involving a single, a double and a cascade of two double phosphorylation-dephosphorylation (PD) cycles. Using deterministic modelling approaches based on ordinary differential equations (ODE), we observe that the cascade of two double PD cycles exhibits robust output behaviour compared to that of a single and a double PD cycle upon constant as well as time- varying input perturbations. Furthermore, a system theoretic analysis reveals that the protein phosphorylation cascades act as an efficient low-pass filter that attenuates the noise mimicked as high-frequency input signals. Afterwards, we extend the study for a stochastic environment. Simulation results based on the stochastic simulation algorithm (SSA) reveal a novel phenomenon called dynamic sequestration that plays an ambivalent role as an intrinsic noise filter. Overall, the analysis indicates that complexity can be one of the basic principles of robust biological designs such as intracellular protein signalling cascades. A major function of intracellular signalling cascades is to transmit the extracellular signal to the nucleus to initiate the process of gene expression. Gene expression is an intrinsically stochastic process that results into cell-to-cell variability in protein and messenger RNA (mRNA) levels, often termed as the expression noise. In spite of such noise, how cells achieve robustness is therefore a fundamental biological problem. We conclude the thesis by introducing a rule-based modelling approach based on the Kappa (κ) platform with the goal to understand the underlying mechanisms that ensure robust cellular functioning during gene expression. In particular, we introduce a gene expression model that keeps the process of transcription and excludes the process of translation. Therefore, we quantify the expression noise using mRNA which is the end product of transcription. Besides, the motivation behind adopting a rule-based modelling approach is that unlike the ODE-based approach, the former subsumes the combinatorial complexity arises due to various binding configurations of transcription factors (TF) for regulation of gene expression and offers a compact graphical representation of the same. Afterwards, the representation is transformed into an equivalent set of executable κ rules that are simulated using the SSA to obtain distributions of mRNA copy numbers corresponding to different regulatory mechanisms.Item Open Access Depth from axial differential perspective(2022) Faulhaber, Andreas; Krächan, Clara; Haist, TobiasWe introduce an imaging-based passive on-axis technique for measuring the distance of individual objects in complex scenes. Two axially separated pupil positions acquire images (can be realized simultaneously or sequentially). Based on the difference in magnification for objects within the images, the distance to the objects can be inferred. The method avoids some of the disadvantages of passive triangulation sensors (e.g., correspondence, shadowing), is easy to implement and offers high lateral resolution. Due to the principle of operation it is especially suited for applications requiring only low to medium axial resolution. Theoretical findings, as well as follow-up experimental measurements, show obtainable resolutions in the range of few centimeters for distances of up to several meters.Item Open Access Enzyme-assisted circular additive manufacturing as an enabling technology for a circular bioeconomy : a conceptual review(2024) Protte-Freitag, Kristin; Gotzig, Sophia; Rothe, Hannah; Schwarz, Oliver; Silber, Nadine; Miehe, RobertAdditive manufacturing (AM) is a decisive element in the sustainable transformation of technologies. And yet its inherent potential has not been fully utilized. In particular, the use of biological materials represents a comparatively new dimension that is still in the early stages of deployment. In order to be considered sustainable and contribute to the circular economy, various challenges need to be overcome. Here, the literature focusing on sustainable, circular approaches is reviewed. It appears that existing processes are not yet capable of being used as circular economy technologies as they are neither able to process residual and waste materials, nor are the produced products easily biodegradable. Enzymatic approaches, however, appear promising. Based on this, a novel concept called enzyme-assisted circular additive manufacturing was developed. Various process combinations using enzymes along the process chain, starting with the preparation of side streams, through the functionalization of biopolymers to the actual printing process and post-processing, are outlined. Future aspects are discussed, stressing the necessity for AM processes to minimize or avoid the use of chemicals such as solvents or binding agents, the need to save energy through lower process temperatures and thereby reduce CO2 consumption, and the necessity for complete biodegradability of the materials used.Item Open Access Sampling-based Bayesian approaches reveal the importance of quasi-bistable behavior in cellular decision processes on the example of the MAPK signaling pathway in PC-12 cell lines(2017) Jensch, Antje; Thomaseth, Caterina; Radde, NicolePositive and negative feedback loops are ubiquitous motifs in biochemical signaling pathways. The mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway module is part of many distinct signaling networks and comprises several of these motifs, whose functioning depends on the cell line at hand and on the particular context. The maintainance of specificity of the response of the MAPK module to distinct stimuli has become a key paradigm especially in PC-12 cells, where the same module leads to different cell fates, depending on the stimulating growth factor. This cell fate is regulated by differences in the ERK (MAPK) activation profile, which shows a transient response upon stimulation with EGF, while the response is sustained in case of NGF. This behavior was explained by different effective network topologies. It is widely believed that this sustained response requires a bistable system. In this study we present a sampling-based Bayesian model analysis on a dataset, in which PC-12 cells have been stimulated with different growth factors. This is combined with novel analysis methods to investigate the role of feedback interconnections to shape ERK response. Results strongly suggest that, besides bistability, an additional effect called quasi-bistability can contribute to explain the observed responses of the system to different stimuli. Quasi-bistability is the ability of a monostable system to maintain two distinct states over a long time period upon a transient signal, which is also related to positive feedback, but cannot be detected by standard steady state analysis methods.Item Open Access Präzise Fahrzeugpositionierung durch Entzerrung der gepulsten magnetischen Flussdichteverteilung einer Ladespule(2017) Martinovic, Dean; Reuss, Hans-Christian (Prof. Dr.-Ing.)Elektrofahrzeuge werden in Zukunft nicht mehr per Kabel, sondern mittels induktiver Ladesysteme mit Strom versorgt. Um eine hohe Ladeleistung sicher übertragen zu können, müssen die Spulen hinreichend genau übereinander positioniert werden, was für den Fahrer eine kaum lösbare Aufgabe darstellt. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, eine neue Methode zu untersuchen, die ein gepulstes Magnetfeld der Ladespule zu dessen Ortung nutzt. Hierbei wird das magnetische Pulssignal durch den ferromagnetischen Unterboden des Elektrofahrzeugs verzerrt. Dieser verändert die Pulsamplitude entsprechend einer unbekannten Abbildung, ohne deren Kenntnis eine präzise und eindeutige Positionierung nicht möglich ist. Die Herausforderung der vorliegenden Arbeit ist daher die Bestimmung dieser Abbildung samt ihrer Eigenschaften und Abhängigkeiten. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Abbildung allgemein vom nicht-deterministischen magnetischen Zustand des Unterbodenmaterials abhängt und dessen messtechnische Erfassung kaum möglich ist. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wird jedoch hergeleitet, dass die Ladespule, das Elektrofahrzeug und die umgebende Atmosphäre zusammen einen magnetischen Kreis bilden, der aufgrund der sehr hohen Reluktanz der Atmosphäre linear ist. Änderungen des magnetischen Zustands haben folglich keinen Einfluss auf die Abbildung. Diese ist somit reproduzierbar und kann messtechnisch einfach erfasst werden. Die These wird für unterschiedliche magnetische Zustände experimentell nachgewiesen. Basierend auf den Forschungsergebnissen wird ein vollständiger Prototyp entwickelt und in ein Versuchsfahrzeug integriert. Das Gesamtsystem wird anschließend erfolgreich getestet. Die gefundenen Ergebnisse zeigen, dass mittels gepulster magnetischer Felder eine universelle, kostengünstige, sichere und präzise Positionierung von Elektrofahrzeugen möglich ist. Dies unterstreicht das Potential des neuen, komfortablen Positionierungsverfahrens eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität zu werden.Item Open Access Experimental analysis on CPA-free thin-disk multipass amplifiers operated in a helium-rich atmosphere(2022) Bienert, Florian; Loescher, André; Röcker, Christoph; Graf, Thomas; Abou Ahmed, MarwanEs wird der Einfluss von Helium als atmosphärisches Gas in Scheibenlaser-multipass-Ultrakurzpulsverstärkern untersucht.Item Open Access The effect of rod orientation on electrical anisotropy in silver nanowire networks for ultra-transparent electrodes(2016) Ackermann, Thomas; Neuhaus, Raphael; Roth, SiegmarTwo-dimensional networks made of metal nanowires are excellent paradigms for the experimental observation of electrical percolation caused by continuous jackstraw-like physical pathways. Such systems became very interesting as alternative material in transparent electrodes, which are fundamental components in display devices. This work presents the experimental characterization of low-haze and ultra-transparent electrodes based on silver nanowires. The films are created by dip-coating, a feasible and scalable liquid film coating technique. We have found dominant alignment of the silver nanowires in withdrawal direction. The impact of this structural anisotropy on electrical anisotropy becomes more pronounced for low area coverage. The rod alignment does not influence the technical usability of the films as significant electrical anisotropy occurs only at optical transmission higher than 99 %. For films with lower transmission, electrical anisotropy becomes negligible. In addition to the experimental work, we have carried out computational studies in order to explain our findings further and compare them to our experiments and previous literature. This paper presents the first experimental observation of electrical anisotropy in two-dimensional silver nanowire networks close at the percolation threshold.Item Open Access Adaptive method for quantitative estimation of glucose and fructose concentrations in aqueous solutions based on infrared nanoantenna optics(2019) Schuler, Benjamin; Kühner, Lucca; Hentschel, Mario; Giessen, Harald; Tarín, CristinaIn life science and health research one observes a continuous need for new concepts and methods to detect and quantify the presence and concentration of certain biomolecules-preferably even in vivo or aqueous solutions. One prominent example, among many others, is the blood glucose level, which is highly important in the treatment of, e.g., diabetes mellitus. Detecting and, in particular, quantifying the amount of such molecular species in a complex sensing environment, such as human body fluids, constitutes a significant challenge. Surface-enhanced infrared absorption (SEIRA) spectroscopy has proven to be uniquely able to differentiate even very similar molecular species in very small concentrations. We are thus employing SEIRA to gather the vibrational response of aqueous glucose and fructose solutions in the mid-infrared spectral range with varying concentration levels down to 10 g/l. In contrast to previous work, we further demonstrate that it is possible to not only extract the presence of the analyte molecules but to determine the quantitative concentrations in a reliable and automated way. For this, a baseline correction method is applied to pre-process the measurement data in order to extract the characteristic vibrational information. Afterwards, a set of basis functions is fitted to capture the characteristic features of the two examined monosaccharides and a potential contribution of the solvent itself. The reconstruction of the actual concentration levels is then performed by superposition of the different basis functions to approximate the measured data. This software-based enhancement of the employed optical sensors leads to an accurate quantitative estimate of glucose and fructose concentrations in aqueous solutions.Item Open Access Die Phototaxis von Halobakterium salinarum - Mathematische Beschreibung stochastischer Prozesse(2006) Nutsch, Torsten; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Phototaxis von Halobacterium salinarum ist ein elegantes Beispielsystem für Signaltransduktion in Prokaryoten. Die Zellen verfügen über zwei verschiedene Typen von Photorezeptoren SRI und SRII, die für Licht verschiedener Wellenlängen empfindlich sind. An den Rezeptoren schließt sich ein molekulares Signaltransduktionsnetzwerk an, das das Schwimmverhalten der Zellen je nach äußerem Reiz beeinflusst. Ohne Stimulation wechseln die Zellen immer wieder zufällig zwischen der vorwärts- und rückwärts gerichteten Schwimmbewegung hin und her. Im Mittel geschieht das alle 12 Sekunden. Nach einer Schreckstimulation wird der Wechsel der Schwimmrichtung deutlich schneller eingeleitet, während die Zellen bei einer Lockstimulation die Dauer der aktuellen Schwimmrichtung noch länger ausdehnen. Beide Schwimmphasen verhalten sich sowohl im unstimulierten als auch im stimulierten Fall symmetrisch zueinander. Im Gegensatz zu den gängigen Motormodellen von E. coli befindet sich der Schaltprozess von Halobacterium salinarum nicht im thermischen Gleichgewicht. Vielmehr handelt es sich hier um einen energieverbrauchenden Kreisprozess, der nacheinander unterschiedliche Phasen in einer bestimmten Vorzugsrichtung durchläuft. In einem ersten Schritt konnten mittels Analyse von experimentellen Ergebnissen 8 verschiedene Funktionszustände (Phasen) des halobakteriellen Schaltprozesses identifiziert werden (4 Phasen pro Schwimmrichtung). Die Stopp-Phase ist leicht durch Beobachten der Schwimmbewegung zu erkennen. Sie dauert sowohl im stimulierten als auch im unstimulierten Fall im Mittel 0,43 Sekunden. Nach dieser Phase schwimmt die Zelle in der entgegengesetzten Richtung weiter. In den ersten 1-2 Sekunden nach dieser Richtungsumkehr reagiert sie allerdings verzögert (refraktär) auf einen Schreckreiz. Dieses Verhalten wird der Refraktär-Phase zugeordnet, deren Dauer durch einen Schreckreiz deutlich verlängert wird. Anschließend befindet sich der Schaltkomplex in der Kompetent-Phase. Hier ist der Motor 'kompetent', die Richtungsumkehr bei einem Schreckreiz zu aktivieren. Diese Aktivierung geschieht schließlich in der letzten Phase, der Aktiv-Phase. Danach stoppt der Motor, bevor die Funktionszustände in analoger Art und Weise in der entgegengesetzten Schwimmrichtung durchlaufen werden. In einem zweiten Schritt wurde die Kinetik der einzelnen Phasen aufgrund von gemessenen Häufigkeitsverteilungen von Prozessdauern bestimmt. Darauf hin konnte schließlich ein detailliertes Modell aufgestellt werden, das die einzelnen Phasen sowie die Kinetik ihrer Übergänge miteinander vereint. Es besteht aus 44 Untereinheiten, die sich synchron in einem der oben genannten Funktionszustände befinden. Mit Hilfe des aufgestellten Gesamtmodells, bestehend aus dem einfachen Modell der Signaltransduktion und dem detaillierten Modell des Schaltverhaltens, war es möglich die verschiedensten Experimente zu simulieren. Alle Simulationen zeigten eine recht gute, viele sogar eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. So kann das Modell z.B. die Häufigkeitsverteilung der Länge einer Schwimmphase sowohl im spontanen als auch im lichtinduzierten Fall bei Stimulation mit einem Schreck- oder Locksignal korrekt wiedergeben. Ebenso beschreibt es die mittlere Reaktionszeit der Zellen auf Einzel- und Doppelpulse aus blauem Licht. Diese Reaktionszeit ist proportional zum Kehrwert der applizierten Lichtmenge sowie proportional zur Dunkelpause zwischen beiden Pulsen und ihrem Tastverhältnis. Weiterhin ist das Gesamtmodell in der Lage, Experimente zu beschreiben, für die bisher keine Erklärung bekannt war. Dies ist z.B. bei der inversen Antwort auf einen Lockreiz der Fall. Eine Stimulation mit einem Orangelicht-Puls hat normalerweise eine Verringerung der Schalthäufigkeit der Zellen zur Folge. Wird ein solcher Puls allerdings bis zu 8 Sekunden nach einem Schreckreiz gegeben, hat er die entgegengesetzte Wirkung und lässt die Zellen erneut die Schwimmrichtung umkehren. Das Modell zeigt dasselbe Verhalten. Grund dafür ist die Refraktär-Phase, in der die Zellen nach dem Schreckreiz durch die erhöhte Konzentration des Schaltsignals 'festgehalten' werden. Der Orangelicht-Puls 'befreit' die Zellen wieder aus der Refraktär-Phase, indem er kurzzeitig die Schaltsignalkonzentration absenkt. Nach diesem Puls erhöht sich diese Konzentration wieder, weil die Adaptation an den noch andauernden Schreckreiz noch nicht abgeschlossen ist. Nun reagieren die Zellen aber mit einer erneuten Richtungsumkehr, da sie sich jetzt in der Kompetent-Phase befinden. Dadurch hat der Orangelicht-Puls, der normalerweise die Schalthäufigkeit verringert, eine inverse Wirkung.Item Open Access Modeling and parameter estimation for heterogeneous cell populations(2013) Hasenauer, Jan; Allgöwer, Frank (Prof. Dr.-Ing.)Most of the modeling performed in biology aims at achieving a quantitative description and understanding of the intracellular signaling pathways within a “typical cell”. However, in many biologically important situations even genetically identical cell populations show a heterogeneous response. This means that individual members of the cell population behave differently. Such situations require the study of cell-to-cell variability and the development of models for heterogeneous cell populations. The main contribution of this thesis is the development of unifying modeling frameworks for signal transduction and proliferation processes in heterogeneous cell populations. These modeling frameworks allow for the detailed description of individual cells as well as differences between them. In contrast to many existing modeling approaches, the proposed frameworks allow for a direct comparison of model predictions with available data. Beyond this, the proposed population models can be simulated efficiently and, by exploiting the model structures, we are able to develop model-tailored Bayesian parameter estimation methods. These methods enable the calculation of the optimal parameter estimates, as well as the evaluation of the parameter and prediction uncertainties. The proposed tools allow for novel insights in population dynamics, in particular the model-based characterization of population heterogeneity and cellular subgroups. This is illustrated for two different application examples: pro- and anti-apoptotic signaling, which is interesting in the context of cancer therapy, and immune cell proliferation.