04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Entwicklung eines global übertragbaren raumbezogenen Planungsinstruments für das integrierte urbane Wassermanagement(2014) Haller, Birgit E.; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Vor dem Hintergrund globaler Veränderungen in der Wasserwirtschaft wurde in dieser Dissertation ein standortangepasstes Planungsinstrument für eine nachhaltige Wasserver- und Abwasserentsorgung entwickelt. Das GIS-gestützte Bewertungssystem ermöglicht die Potenzialanalyse von siedlungsnahen Flächen für eine integrierte Nutzung der verfügbaren kommunalen Wasserressourcen. Zwei Untersuchungsgebiete in Deutschland dienten der Entwicklung der Analyseprozesse, deren Übertragbarkeit auf andere Regionen wurde im Staat São Paulo / Brasilien untersucht. Zunächst wurde eine Methodik erarbeitet zur regionalen Bewertung der Eignung von Landflächen für die Versickerung von aufbereitetem kommunalem Abwasser oder Regenwasser im Sinne einer gezielten Grundwasseranreicherung (regionale Eignungsanalyse). Dabei wurden Elemente der multikriteriellen Entscheidungsanalyse eingesetzt. Zur quantitativen Abschätzung des Potenzials zur Wasserwiederverwendung wurde eine Methodik zur Erfassung kommunaler Wasserressourcen und des Brauchwasserbedarfs entwickelt (Ertrags-Bedarfs-Analyse). Die Eignungs- sowie die Ertrags-Bedarfs-Analyse münden in standortbezogenen Szenarien der integrierten Wassernutzung.Item Open Access Identifizierung und vergleichende Charakterisierung eines zentralen Regulationsfaktors der Morphogenese und des Stickstoffmetabolismus in humanpathogenen Pilzen(2012) Lindemann, Elena; Rupp, Steffen (PD Dr.)Von den etwa 200 verschiedenen Pilzen der Hefegattung Candida gilt insbesondere Candida albicans als der medizinisch bedeutendste Hefepilz, da er als fakultativ pathogener Erreger zwar bei 75% der Bevölkerung hauptsächlich den Gastrointestinaltrakt symptomlos besiedelt, jedoch bei immunsupprimierten Patienten über zwei Drittel aller invasiven, systemischen Infektionen auslöst, die eine Mortalitätsrate von über 30% aufweisen. Mit der Identifizierung von Candida dubliniensis wurde ein sehr naher Verwandter von C. albicans beschrieben, der trotz einer sehr engen phylogenetischen Verwandtschaft und ähnlichen phänotypischen Eigenschaften, in epidemiologischen Studien eine nur sehr geringe Prävalenz sowie eine deutlich reduzierte Virulenz aufweist. Ein Vergleich beider Candida-Spezies sollte daher die Grundlage bieten, Unterschiede zwischen den beiden Hefepilzen zu identifizieren, die zur verbesserten Adaptation von C. albicans gegenüber C. dubliniensis an den Wirtsorganismus führen und zu ihrer unterschiedlichen Pathogenität beitragen. Durch eine vergleichende Analyse der beiden Candida-Arten insbesondere im Hinblick auf ihre unterschiedliche Induktion und Regulation von morphologischen Differenzierungsprozessen (z. B. der Transition von der sphärischen Blastopore zur filamentösen Wachstumsform, die in C. albicans als ein wichtige Virulenzfaktor angesehen wird) wurde in dieser Arbeit ein zentraler Morphogeneseregulator in C. dubliniensis identifiziert, der signifikante Homologien zu einer konservierten Klasse von Transkriptionsfaktoren in Pilzen aufweist, die als APSES-Proteine bezeichnet werden. Die Deletion dieses Gens und nachfolgende funktionelle Charakterisierung konnte zeigen, dass die Deletionsstämme neben einer veränderten Morphologie sich in der Induktion des hyphalen Wachstums und der Chlamydosporen-Ausbildung vom Wildtypstamm deutlich unterschieden. Aufgrund dieser Funktion als zentraler Morphogeneseregulator wurde das entsprechende Protein als Mom1 - „Modulator of Morphogenesis 1“ bezeichnet. Weiterführende Analysen konnten zeigen, dass MOM1 außerdem einen großen Einfluss auf das Adhäsions- und Invasionsverhalten sowie den Zellwandaufbau der Zellen hat. Diese Eigenschaften sind vergleichbar mit der Funktion des Efg1p in C. albicans. Durch die ektopische Expression von MOM1 im efg1Δ-Deletionsstamm oder die heterologe Integration von EFG1 in den mom1Δ-Deletionsstamm konnte der morphologische Phänotyp sowie die Defekte in der Zellwandzusammensetzung funktionell komplementiert werden. Durch differenzielle Genexpressionsstudien von Wildtyp- und Deletionsstämmen unter zwei unterschiedlichen Wachstumsbedingungen mithilfe der ebenfalls in dieser Arbeit etablierten und validierten MESSAGE-Technologie, die auf einer hochauflösenden zweidimensionalen Auftrennung der ds-cDNA-Fragmente basiert, konnte außerdem gezeigt werden, dass der Transkriptionsfaktor Mom1p - ähnlich wie Efg1p aus C. albicans- neben den Proteinen der Zellwand oder Zellmembran auch zahlreiche metabolische Prozesse reguliert. Je nach Bedingung wurden durch Deletionen von MOM1 zahlreiche Gene z. B. der Ribosomenbiogenese oder des Kohlenhydrat-metabolismus differentiell exprimiert. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal auch eine konservierte Funktion der APSES-Proteine Mom1p und Efg1p im Stickstoffmetabolismus beschrieben werden. Beide Proteine scheinen dabei eine essentielle Rolle als Schalterproteine spielen, ob nieder- oder hochmolekulare Stickstoffquellen für den Wachstumsprozess verwertet werden. Trotz der konservierten Funktion zeigten sich zwischen beiden Candida-Arten signifikante Unterschiede in der transkriptionellen Regulation dieser APSES-Gene. So wurden MOM1 und EFG1 in den entsprechenden Wildtyp-Stämmen unter zahlreichen Bedingungen und unabhängig von der Zellmorphologie entgegengesetzt exprimiert. Durch den Austausch der gesamten MOM1-Promotorregion durch den EFG1-Promotor konnte jedoch Art und Verlauf der C. albicans EFG1-Induktion auch in C. dubliniensis beobachtet werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die antagonistische Genexpression hauptsächlich auf verschiedene cis-regulatorische Elemente in den jeweiligen Promotorsequenzen von MOM1 und EFG1 zurückgeführt werden können. Interessanterweise konnten wir trotz der gleichen C. albicans-spezifischen Regulation des heterolog exprimierten EFG1 mit Promotor im ∆mom1-Deletionshintergrund keine Induktion des hyphalen Wachstums in C. dubliniensis beobachtet werden. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die morphologische Transition in C. albicans durch einen weiteren regulatorscher Signalweg induziert wid, der in C. dubliniensis entweder nicht vorhanden oder aktiviert ist. Diese Aktivierung von verschiedenen Signaltransduktionswegen oder die differentielle Regulation von Genen können somit die Gründe dafür sein, weshalb so phylogenetisch nahe verwandte Arten sich in der Expression von Virulenzfaktoren und ihrer Pathogenität unterscheiden.Item Open Access A systems biology approach to dynamic modeling and inter-subject variability of statin pharmacokinetics in human hepatocytes(2011) Bucher, Joachim; Riedmaier, Stephan; Schnabel, Anke; Marcus, Katrin; Vacun, Gabriele; Weiss, Thomas S.; Thasler, Wolfgang E.; Nüssler, Andreas K.; Zanger, Ulrich M.; Reuss, MatthiasBackground The individual character of pharmacokinetics is of great importance in the risk assessment of new drug leads in pharmacological research. Amongst others, it is severely influenced by the properties and inter-individual variability of the enzymes and transporters of the drug detoxification system of the liver. Predicting individual drug biotransformation capacity requires quantitative and detailed models. Results In this contribution we present the de novo deterministic modeling of atorvastatin biotransformation based on comprehensive published knowledge on involved metabolic and transport pathways as well as physicochemical properties. The model was evaluated on primary human hepatocytes and parameter identifiability analysis was performed under multiple experimental constraints. Dynamic simulations of atorvastatin biotransformation considering the inter-individual variability of the two major involved enzymes CYP3A4 and UGT1A3 based on quantitative protein expression data in a large human liver bank (n = 150) highlighted the variability in the individual biotransformation profiles and therefore also points to the individuality of pharmacokinetics. Conclusions A dynamic model for the biotransformation of atorvastatin has been developed using quantitative metabolite measurements in primary human hepatocytes. The model comprises kinetics for transport processes and metabolic enzymes as well as population liver expression data allowing us to assess the impact of inter-individual variability of concentrations of key proteins. Application of computational tools for parameter sensitivity analysis enabled us to considerably improve the validity of the model and to create a consistent framework for precise computer-aided simulations in toxicology.