04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Precision 3D‐printed cell scaffolds mimicking native tissue composition and mechanics(2020) Erben, Amelie; Hörning, Marcel; Hartmann, Bastian; Becke, Tanja; Eisler, Stephan A.; Southan, Alexander; Cranz, Séverine; Hayden, Oliver; Kneidinger, Nikolaus; Königshoff, Melanie; Lindner, Michael; Tovar, Günter E. M.; Burgstaller, Gerald; Clausen‐Schaumann, Hauke; Sudhop, Stefanie; Heymann, MichaelCellular dynamics are modeled by the 3D architecture and mechanics of the extracellular matrix (ECM) and vice versa. These bidirectional cell‐ECM interactions are the basis for all vital tissues, many of which have been investigated in 2D environments over the last decades. Experimental approaches to mimic in vivo cell niches in 3D with the highest biological conformity and resolution can enable new insights into these cell‐ECM interactions including proliferation, differentiation, migration, and invasion assays. Here, two‐photon stereolithography is adopted to print up to mm‐sized high‐precision 3D cell scaffolds at micrometer resolution with defined mechanical properties from protein‐based resins, such as bovine serum albumin or gelatin methacryloyl. By modifying the manufacturing process including two‐pass printing or post‐print crosslinking, high precision scaffolds with varying Young's moduli ranging from 7‐300 kPa are printed and quantified through atomic force microscopy. The impact of varying scaffold topographies on the dynamics of colonizing cells is observed using mouse myoblast cells and a 3D‐lung microtissue replica colonized with primary human lung fibroblast. This approach will allow for a systematic investigation of single‐cell and tissue dynamics in response to defined mechanical and bio‐molecular cues and is ultimately scalable to full organs.Item Open Access Funktionen eines regionalen naturwissenschaftlichen Vereins(1994) Kull, UlrichDie Gesellschaft für Naturkunde in Württemberg blickt auf 150 Jahre zurück; sie wurde gegründet im Herbst 1844. Seit ihrer Gründung dient sie der Erforschung der heimischen Natur und der Verknüpfung der Ergebnisse mit den allgemeinen Fortschritten der Naturwissenschaften. Sie arbeitet vor allem im Bereich der Bio- und Geowissenschaften.Item Open Access A systems biology approach to analyse leaf carbohydrate metabolism in Arabidopsis thaliana(2011) Henkel, Sebastian; Nägele, Thomas; Hörmiller, Imke; Sauter, Thomas; Sawodny, Oliver; Ederer, Michael; Heyer, Arnd G.Plant carbohydrate metabolism comprises numerous metabolite interconversions, some of which form cycles of metabolite degradation and re-synthesis and are thus referred to as futile cycles. In this study, we present a systems biology approach to analyse any possible regulatory principle that operates such futile cycles based on experimental data for sucrose (Scr) cycling in photosynthetically active leaves of the model plant Arabidopsis thaliana. Kinetic parameters of enzymatic steps in Scr cycling were identified by fitting model simulations to experimental data. A statistical analysis of the kinetic parameters and calculated flux rates allowed for estimation of the variability and supported the predictability of the model. A principal component analysis of the parameter results revealed the identifiability of the model parameters. We investigated the stability properties of Scr cycling and found that feedback inhibition of enzymes catalysing metabolite interconversions at different steps of the cycle have differential influence on stability. Applying this observation to futile cycling of Scr in leaf cells points to the enzyme hexokinase as an important regulator, while the step of Scr degradation by invertases appears subordinate.Item Open Access Covalent incorporation of tobacco mosaic virus increases the stiffness of poly(ethylene glycol) diacrylate hydrogels(2018) Southan, Alexander; Lang, Tina; Schweikert, Michael; Tovar, Günter E. M.; Wege, Christina; Eiben, SabineHydrogels are versatile materials, finding applications as adsorbers, supports for biosensors and biocatalysts or as scaffolds for tissue engineering. A frequently used building block for chemically cross-linked hydrogels is poly(ethylene glycol) diacrylate (PEG-DA). However, after curing, PEG-DA hydrogels cannot be functionalized easily. In this contribution, the stiff, rod-like tobacco mosaic virus (TMV) is investigated as a functional additive to PEG-DA hydrogels. TMV consists of more than 2000 identical coat proteins and can therefore present more than 2000 functional sites per TMV available for coupling, and thus has been used as a template or building block for nano-scaled hybrid materials for many years. Here, PEG-DA (Mn = 700 g/mol) hydrogels are combined with a thiol-group presenting TMV mutant (TMVCys). By covalent coupling of TMVCys into the hydrogel matrix via the thiol-Michael reaction, the storage modulus of the hydrogels is increased compared to pure PEG-DA hydrogels and to hydrogels containing wildtype TMV (wt-TMV) which is not coupled covalently into the hydrogel matrix. In contrast, the swelling behaviour of the hydrogels is not altered by TMVCys or wt-TMV. Transmission electron microscopy reveals that the TMV particles are well dispersed in the hydrogels without any large aggregates. These findings give rise to the conclusion that well-defined hydrogels were obtained which offer the possibility to use the incorporated TMV as multivalent carrier templates e.g. for enzymes in future studies.Item Open Access Die Wirkungen von akutem Stress auf Erlernen und Abruf erlernter Handlungs-Ergebnis-Beziehungen(2017) Braun, Stephanie; Hauber, Wolfgang (apl. Prof. Dr.)Stress hat umfangreiche Wirkungen auf die Art und Weise wie Menschen und Tiere lernen. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, wie sich akuter Stress, d.h. die kurzzeitige Einwirkung von Stress, auf das Handlungs-Lernen bei Ratten auswirkt. Die erhobenen Daten haben gezeigt, dass Ratten ähnlich wie Menschen reagieren, nämlich indem ihre Handlungen infolge von Stress nicht mehr zielgerichtet, d.h. flexibel, sondern automatisiert, d.h. unflexibel, ausgeführt werden.Item Open Access A practical primer for image-based particle measurements in microplastic research(2023) Schnepf, Uwe; Moers-Meßmer, Maria Anna Lioba von; Brümmer, FranzMicroplastics have been detected in large numbers around the world. Not only their sheer number threatens ecosystems, their biodiversity, and human health, but risks are also posed by particle characteristics such as size and shape. However, at the moment their measurement is neither comprehensive nor harmonized, making the data ineligible for risk assessment. To change this, we propose an image‑based workflow, whose six steps are oriented to international guidelines and lessons learned from more developed research fields. Best practices for sample preparation, image acquisition, and digital image processing are reviewed to assure accurate and unbiased particle measurements. On behalf of this, we selected metrics to quantitatively characterize both size and shape. The size of microplastics should be estimated via the maximum Feret’s diameter. Particle shape can be measured via shape descriptors, for which we derive harmonized formulas and interpretation. Roundness, solidity, and elongation were selected by applying hierarchical agglomerative clustering and correlation analysis. With these three shape descriptors, all currently charaterizable dimensions of particle shape can be measured. Finally, we present actions for quality control as well as quality assurance and give recommendations for method documentation and data reporting. By applying our practical primer, microplastic researchers should be capable of providing informative and comparable data on particle characteristics. From this improved data, we expect to see great progress in risk assessment, meta‑analyses, theory testing, and fate modeling of microplastics.Item Open Access Interaktion von erhöhten CO2 Konzentrationen und Stickstoff Metabolismus in Pflanzen(2023) Krämer, Konrad; Heyer, Arnd G. (Prof. Dr.)Im Zuge dieser Arbeit wurde die Interaktion von erhöhter CO2 (eCO2) Konzentration und Stickstoff Metabolismus untersucht. Für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurde zunächst nachgewiesen, dass eine mindestens sechswöchige Exposition gegenüber eCO2 zu einem Rückgang der Photosyntheseleistung führt, der für andere Spezies beschrieben war und als Akklimatisierung der Photosynthese bezeichnet wird. Deren Ursache ist unbekannt; es wird aber vermutet, dass eine Beziehung zum Stickstoffmetabolismus besteht. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit stellt die Hypothese auf, dass dieser Zusammenhang über den Stoffwechselweg der Photorespiration gebildet wird. Ausgang der Photorespiration ist die Oxigenierung von Ribulosebisphosphat im Calvin-Benson Zyklus, die unter eCO2 vermindert abläuft. Um der Hypothese nachzugehen, wurden Metabolitprofile für akklimatisierte und nicht akklimatisierte Pflanzen des Wildtyps Col-0 und der hpr1-1 Mutante aufgenommen. Die hpr1-1 Mutante weist einen Defekt im Gen der peroxisomalen Hydroxy-Pyruvat-Reduktase auf und ist daher nur bedingt in der Lage, im Rahmen der Photorespiration anfallendes Hydroxy-Pyruvat zu metabolisieren. Die tageszeitlichen Verläufe der Metabolitprofile und Aktivitäten ausgewählter Enzyme, die im Primärstoffwechsel zentrale Positionen einnehmen, wurden einer simulationsgestützten Datenanalyse unterzogen, um Parameter relevanter Stoffwechselwege zu identifizieren. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die verringerte Photorespiration unter eCO2 verantwortlich für die Akklimatisierung ist. PR fungiert als Speicher für assimilierten Stickstoff und liefert Kohlenstoff-Gerüste für dessen de novo Assimilation. In der hpr1-1 Mutante ist der Rückfluss von Kohlenstoffverbindungen aus dem PR in den Calvin-Benson Zyklus gestört, wodurch es zu einer starken Akkumulation von Aminosäuren kommt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurde die Interaktion zwischen PR und N Assimilation weiter untersucht. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen war die Beobachtung, dass im Rahmen der PR frei gesetztes Ammonium mit Nitrat um die Kohlenstoffquelle für die Aminosäure-Synthese konkurriert und so möglicherweise die Aktivität der hierfür relevanten Enzyme Glutaminsynthetase (GS) und Glutamin- Oxoglutarat-Aminotransferase (GOGAT) stimuliert. für Pflanzen, die mit Nitrat als einziger N-Quelle versorgt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass PR den Umsatz im GS/GOGAT Zyklus tatsächlich erhöht. Darüber hinaus zeigte das Model, dass die Biomassebildung aus Hexosephosephosphaten im Vergleich zur Nitrat Assimilation unter eCO2 bei reduzierter PR erhöht ist. Dies weist nach, dass unter eCO2 in der pflanzlichen Biomasse Stickstoffverbindungen durch vermehrt assimilierten Kohlenstoff verdünnt werden. Weiterhin zeichnete sich ab, dass ein gesteigerter Bedarf an Zellenergie für die Verarbeitung der PR-Zwischenstufen das Wachstum der hpr1-1 Mutante beeinträchtigen könnte. Um die systembiologischen Modellierungen durchführen zu können, wurde das Software-Paket paropt entwickelt, das es ermöglicht, Optimierungen von Parametern von ODE-Systemen schnell und in hoher Qualität durchzuführen. Die Software wurde in der Programmiersprache C++ geschrieben. Als package für die Programmierumgebung R ist paropt öffentlich verfügbar, um die Software einem breiten Publikum in der Biologie zugänglich zu machen und eine verbesserte Nutzerfreundlichkeit zu erreichen. Besonders hervor zu heben ist, dass der ODE-Solver und der implementierte Optimierer auf dem neusten Stand sind. Um dem Anwender zu ermöglichen, das ODE-System in R zu schreiben ohne auf die Geschwindigkeit von C++ verzichten zu müssen, wurde ein weiteres R package mit dem Namen ast2ast entwickelt. Diese Software übersetzt einen Teil von R in C++. Dadurch ist es möglich, ohne Kenntnisse in der Programmiersprache C++ die gesamte Simulation in R durchzuführen, was sehr benutzerfreundlich ist.Item Open Access