München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2000--München.

University, Diss., 2004--Heidelberg.

Universiẗat, Diss., 2004--Heidelberg.

Techn. University, Diss., 2005--Berlin.

The obligate intracellular pathogen Chlamydia trachomatis is the causative agent of trachoma related blindness and the sexually transmitted pelvic inflammatory disease. Being an obligate intracellular pathogen, C. trachomatis has an intricate dependency on the survival of the host cell. This relationship is indispensible owing to the fact that the pathogen spends a considerable fraction of its biphasic lifecycle within a cytoplasmic vacuole inside the host cell, the so-called chlamydial inclusion. The cellular apoptotic-signalling network is governed by several finely tuned regulatory cascades composed of pro- and anti-apoptotic proteins that respond to changes in the cellular homeostasis. In order to facilitate its intracellular survival, Chlamydia has been known to inhibit the premature apoptosis of the host cell via the stabilization of several host anti-apoptotic proteins such as cIAP2 and Mcl-1. While the pro- and anti-apoptotic proteins are the major regulators of the host apoptotic signalling network, a class of the small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) has increasingly gained focus as a new level of regulatory control over apoptosis. This work investigates the changes in the host miRNA expression profile post Chlamydia infection using a high throughput miRNA deep sequencing approach. Several miRNAs previously associated with the modulation for apoptotic signalling were differentially expressed upon Chlamydia infection in human endothelial cells. Of the differentially regulated miRNAs, miR-30c-5p was of particular interest since it had been previously shown to target the tumor suppressor protein p53. Our lab and others have previously demonstrated that Chlamydia can downregulate the levels of p53 by promoting its proteasomal degradation. This work demonstrates that Chlamydia infection promotes p53 downregulation by increasing the abundance of miR-30c-5p and a successful infection cycle is hindered by a loss of miR-30c-5p. Over the last decade, dedicated research aimed towards a better understanding of apoptotic stimuli has greatly improved our grasp on the subject. While extrinsic stress, deprivation of survival signals and DNA damage are regarded as major proponents of apoptotic induction, a significant responsibility lies with the mitochondrial network of the cell. Mitochondrial function and dynamics are crucial to cell fate determination and dysregulation of either is decisive for cell survival and pathogenesis of several diseases. The ability of the mitochondrial network to perform its essential tasks that include ATP synthesis, anti-oxidant defense, and calcium homeostasis amongst numerous other processes critical to cellular equilibrium is tied closely to the fission and fusion of individual mitochondrial fragments. It is, thus, 8 unsurprising that mitochondrial dynamics is closely linked to apoptosis. In fact, many of the proteins involved regulation of mitochondrial dynamics are also involved in apoptotic signalling. The mitochondrial fission regulator, Drp1 has previously been shown to be transcriptionally regulated by p53 and is negatively affected by a miR- 30c mediated inhibition of p53. Our investigation reveals a significant alteration in the mitochondrial dynamics of Chlamydia infected cells affected by the loss of Drp1. We show that loss of Drp1 upon chlamydial infection is mediated by the miR-30c-5p induced depletion of p53 and results in a hyper-fused architecture of the mitochondrial network. While it is widely accepted that Chlamydia depends on the host cell metabolism for its intracellular growth and development, the role of mitochondria in an infected cell, particularly with respect to its dynamic nature, has not been thoroughly investigated. This work attempts to illustrate the dependence of Chlamydia on miR-30c-5p induced changes in the mitochondrial architecture and highlight the importance of these modulations for chlamydial growth and development. / Das Gram-negative Humanpathogen Chlamydia trachomatis versursacht das Trachom, eine ansteckende follikuläre Bindehautentzündung, die letztlich zur Erblindung Infizierter führt, sowie sexuell übertragbare Entzündungen im Urogenitaltrakt. C. trachomatis ist ein obligat intrazelluläres Bakterium mit einem biphasischen Lebenszyklus, der in einer spezialisierten Vakuole innerhalb des Wirtszellzytoplasmas durchlaufen wird, der sogenannten Chlamydien-Inklusion. C. trachomatis ist daher davon abhängig, dass die infizierte Wirtszelle überlebt, bis die Entwicklung des Erregers abgeschlossen ist und moduliert dazu das apoptotische Signalnetzwerk der Wirtszelle. Dieses besteht aus mehreren fein aufeinander abgestimmten regulatorischen Kaskaden aus pro- und anti- apoptotischen Proteinen, die normalerweise auf Veränderungen in der zellulären Homöostase reagieren und als Folge den programmierten Zelltod einleiten können. Es ist jedoch bekannt, dass Chlamydia die Apoptose der Wirtszelle durch Stabilisierung mehrerer anti-apoptotischer Wirtsproteine wie cIAP2 und Mcl-1 inhibiert. Während pro- und anti-apoptotische Proteine Hauptregulatoren des Apoptosesignalnetzwerks darstellen, wurde kürzlich eine neue Ebene der Apoptose- Regulation identifiziert, die durch kleine, nicht-kodierende microRNAs (miRNAs) gesteuert wird. In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Veränderungen in dem miRNA Expressionsprofil von Wirtszellen nach einer Chlamydieninfektion. Mittels miRNA deep sequencing wurden dabei mehrere miRNAs identifiziert, die abhängig von der Infektion mit Chlamydia differentiell in menschlichen Endothelzellen exprimiert werden und deren Funktion mit der Modulation der Apoptose-Signalwege assoziiert sind. Dabei war miR-30c-5p von besonderem Interesse, da deren molekulares target das Tumorsuppressorprotein p53 ist. Unter anderem durch unser Labor wurde dabei bereits gezeigt, dass Chlamydia den Proteasom-vermittelten Abbau von p53 fördert und somit die Menge des Proteins in der Wirtszelle depletieren kann. In der hier vorliegenden Arbeit zeige ich darüberhinaus, dass eine Chlamydia-Infektion die p53 Mengen in den Wirtszellen senkt, indem miR-30c-5p verstärkt produziert wird, während das intrazelluläre Wachstum von C. trachomatis durch den Verlust von miR- 30c-5p inhibiert wird. Zusammen mit den apoptotischen Regulationskaskaden entscheiden auch die Integrität der Mitochondrien sowie die Dynamik des mitochondrialen Netzwerks über das Schicksal der Zelle. Eine Dysregulation dieser Funktionen führt zur Einleitung des Zelltods und bildet die Grundlage der Pathogenese mehrerer Krankheiten. Zu den wesentlichen Aufgaben des mitochondrialen Netzwerkes gehören, neben zahlreichen anderen, die Synthese von ATP, die Detoxifizierung von reaktiven Sauerstoff-Spezies sowie die Kalziumhomöostase. Die funktionelle Integrität des mitochondrialen Netzwerks ist dabei stark von Teilungs- und Fusionsraten mitochondrialer Fragmente abhängig und diese mitochondriale Dynamik ist wiederum eng mit der Apoptose verknüpft; so sind etwa viele Proteine, welche die mitochondriale Dynamik regulieren, auch an der apoptotischen Signalgebung beteiligt. Zum Beispiel wird die Transkription des an der Mitochondrienteilung beteiligten Proteins Drp1 durch p53 reguliert und eine miR-30c-vermittelte Inhibition von p53 senkt daher die Menge an Drp1 in der Zelle. In der hier vorliegenden Arbeit demonstriere ich die signifikante Veränderung der mitochondrialen Dynamik in menschlichen Zellen nach einer Chlamydieninfektion. Die entstehende hyperkondensierte Architektur des mitochondrialen Netzwerks ist dabei auf den Verlust von Drp1 zurückzuführen, welcher durch die miR-30c-5p- induzierte Depletion von p53 vermittelt wird. Während die Abhängigkeit des intrazellulären Wachstums von Chlamydia vom Stoffwechsel der Wirtszelle weitgegen akzeptiert ist, wurde die Rolle der Mitochondrien und die Dynamik des mitochondrialen Netzwerks in infizierten Zellen bisher vernachlässigt. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal die Abhängigkeit von Chlamydia auf miR- 30c-5p induzierte Veränderungen in der mitochondrialen Architektur illustriert.

The fusion of methods from several disciplines is a crucial component of scientific development. Artificial Neural Networks, based on the principle of biological neuronal networks, demonstrate how nature provides the best templates for technological advancement. These innovations can then be employed to solve the remaining mysteries of biology, including, in particular, processes that take place on microscopic scales and can only be studied with sophisticated techniques. For instance, direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy combines tools from chemistry, physics, and computer science to visualize biological processes at the molecular level. One of the key components is the computer-aided reconstruction of super-resolved images. Improving the corresponding algorithms increases the quality of the generated data, providing further insights into our biology. It is important, however, to ensure that the heavily processed images are still a reflection of reality and do not originate in random artefacts. Expansion microscopy is expanding the sample by embedding it in a swellable hydrogel. The method can be combined with other super-resolution techniques to gain additional resolution. We tested this approach on microtubules, a well-known filamentous reference structure, to evaluate the performance of different protocols and labelling techniques. We developed LineProfiler an objective tool for data collection. Instead of collecting perpendicular profiles in small areas, the software gathers line profiles from filamentous structures of the entire image. This improves data quantity, quality and prevents a biased choice of the evaluated regions. On the basis of the collected data, we deployed theoretical models of the expected intensity distribution across the filaments. This led to the conclusion that post-expansion labelling significantly reduces the labelling error and thus, improves the data quality. The software was further used to determine the expansion factor and arrangement of synaptonemal complex data. Automated Simple Elastix uses state-of-the-art image alignment to compare pre- and post-expansion images. It corrects linear distortions occurring under isotropic expansion, calculates a structural expansion factor and highlights structural mismatches in a distortion map. We used the software to evaluate expanded fungi and NK cells. We found that the expansion factor differs for the two structures and is lower than the overall expansion of the hydrogel. Assessing the fluorescence lifetime of emitters used for direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy can reveal additional information about the molecular environment or distinguish dyes emitting with a similar wavelength. The corresponding measurements require a confocal scanning of the sample in combination with the fluorescent switching of the underlying emitters. This leads to non-linear, interrupted Point Spread Functions. The software ReCSAI targets this problem by combining the classical algorithm of compressed sensing with modern methods of artificial intelligence. We evaluated several different approaches to combine these components and found, that unrolling compressed sensing into the network architecture yields the best performance in terms of reconstruction speed and accuracy. In addition to a deep insight into the functioning and learning of artificial intelligence in combination with classical algorithms, we were able to reconstruct the described non-linearities with significantly improved resolution, in comparison to other state-of-the-art architectures. / Für die Weiterentwicklung der Wissenschaft wird es immer wichtiger, Methoden aus verschiedenen Gebieten zu kombinieren. Die künstliche Intelligenz beruht beispielsweise auf dem Prinzip biologischer neuronaler Netze. Hier wird die Natur als Vorlage für unsere technische Entwicklung genutzt. Diese Innovationen können dazu eingesetzt werden, die verbliebenen Rätsel der Biologie zu lösen. Dazu gehören insbesondere Prozesse, die sich auf mikroskopischer Ebene abspielen und nur mit hochentwickelten Techniken untersucht werden können. Die direkte Stochastisch Optische Rekonstruktionsmikroskopie kombiniert Methoden der Chemie, Physik und Informatik, um biologische Prozesse auf molekularer Ebene sichtbar zu machen. Eine der Schlüsselkomponenten ist die computergestützte Rekonstruktion von hochaufgelösten Bildern. Die Verbesserung der zugrunde liegenden Algorithmen erhöht die Qualität der erzeugten Daten und ermöglicht weitere Einblicke in unsere Biologie. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass die künstlich erstellten Bilder immer noch ein Abbild der Realität sind und nicht auf zufälligen Artefakten beruhen. Expansionsmikroskopie vergrößert die Probe durch Einbettung in ein Hydrogel. Die Methode kann mit anderen hochauflösenden Techniken kombiniert werden, um die Auflösung noch weiter zu verbessern. Dieser Ansatz wurde an Mikrotubuli, einer bekannten flamentösen Referenzstruktur, verwendet, um verschiedene Protokolle und Markierungstechniken zu testen. Mit LineProfiler wurde ein objektives Werkzeug zur Datenerfassung entwickelt. Anstatt Linienprofle in kleinen Bereichen zu erfassen, wertet die Software das gesamte Bild aus. Dies verbessert die Datenmenge und Datenqualität und verhindert eine voreingenommene Auswahl der ausgewerteten Regionen. Auf Grundlage der gesammelten Daten wurden theoretische Modelle für die erwartete Intensitätsverteilung über die Filamente erstellt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Markierung nach der Expansion den Markierungsfehler erheblich reduziert und somit die Qualität der Daten verbessert. Die Software wurde außerdem zur Bestimmung des Expansionsfaktors und der Anordnung der Daten des synaptonemalen Komplexes verwendet. Automated Simple Elastix verwendet modernste Bildregistrierung, um Bilder vor und nach der Expansion zu vergleichen. Lineare Verzerrungen, die bei isotroper Expansion auftreten, werden korrigiert. Der strukturelle Expansionsfaktor wird berechnet und strukturelle Unstimmigkeiten werden in einer Verzerrungskarte hervorgehoben. Die Software wurde zur Bewertung expandierter Pilze und NK-Zellen eingesetzt. Dabei wurde festgestellt, dass der Expansionsfaktor für die beiden Strukturen unterschiedlich ist und unter der Gesamtexpansion des Hydrogels liegt. Die Auswertung der Fluoreszenzlebensdauer von Emittern, die für die direkte Stochastische Optische Rekonstruktionsmikroskopie eingesetzt werden, kann zusätzliche Informationen über die molekulare Umgebung liefern oder Farbstoffe unterscheiden, die VI eine ähnliche Lichtwellenlänge emittieren. Die entsprechenden Messungen erfordern eine konfokale Abtastung der Probe in Kombination mit dem fluoreszenten Schalten der zugrunde liegenden Emitter. Dies führt zu nichtlinearen, unterbrochenen Punktspreizfunktionen. Die Software ReCSAI löst dieses Problem, indem sie den klassischen Algorithmus des Compressed Sensing mit modernen Methoden der künstlichen Intelligenz kombiniert. Es wurden verschiedene Ansätze zur Kombination der Komponenten ausgewertet und festgestellt, dass die Integration von Compressed Sensing in die Netzwerkarchitektur die beste Performance in Bezug auf Rekonstruktionsgeschwindigkeit und -genauigkeit bringt. Neben einem tiefen Einblick in die Funktionsweise und das Lernen von künstlicher Intelligenz in Kombination mit klassischen Algorithmen konnten die beschriebenen Nichtlinearitäten mit einer deutlich verbesserten Auflösung im Vergleich zu anderen modernen Architekturen rekonstruiert werden.

The dissertation presents theoretical and experimental studies on the physical origin of the signal in photothermal microscopy of single particles. This noninvasive optical far field microscopy scheme allows the imaging and detection of single absorbing nanoparticles. Based on a heat-induced pertur- bation in the refractive index in the embedding medium of the nanoscopic absorber, a corresponding probe beam modification is measured and quantified. The method is well established and has been applied since its first demonstration in 2002 to the imaging and characterization of various absorbing particle species, such as quantum dots, single molecules and nanoparticles of different shapes. The extensive theoretical developments presented in this thesis provide the first quantitative assess- ment of the signal and at the same time enlarge its phenomenology and thereby its potential. On the basis of several approximation schemes to the Maxwell equations, which fundamentally gov- ern the interaction of light with inhomogeneities, several complementing models are devised which describe the photothermal signal both qualitatively and quantitatively. In succession an interdepen- dent and self-consistent set of theoretical descriptions is given and allows important experimental consequences to be drawn. In consequence, the photothermal signal is shown to correspond to the action of a nanoscopic (thermal) lens, represented by the spherically symmetric refractive index pro- file n(r) which accompanies the thermal expansion of the absorber’s environment. The achieved quantification allows the direct measurement of absorption cross-sections of nanoparticles. Further, a qualitatively new phenomenology of the signal is unraveled and experimentally demonstrated. The separate roles of the probing and the heating beams in photothermal microscopy is dismantled and the influence of their relative alignment shown to allow for a controlled adjustment of the effective detection volume. For the first time, both positive and negative signals are demonstrated to occur and to be the characteristic signature of the lens-like action on the probe beam. The detection of the probe beam’s modification is also shown to sensitively depend on the aperture used in the detection chan- nel, and a signal optimization is shown to be feasible. Also, a generalization of the detectable signal via the use of a quadrant photodiode is achieved. Specifically, measuring the far field beam deflec- tion the result of the beam passing the lens off-center manifests in a laterally split detection volume. Hereby, finally each classical photothermal spectroscopic techniques has been shown to possess its microscopic counterpart. Central to the understanding of this generalized and new phenomenology is a scalar wave-optical model which draws an analogy between the scattering of a massive particle wave-packet by a Coulomb potential and the deflection of a focused beam by a photonic potential connected with the thermal lens. The significance of the findings is demonstrated by its methodological implications on photother- mal correlation spectroscopy in which the diffusion dynamics of absorbing colloidal particles can be studied. The unique split focal detection volumes are shown to allow the sensitive measurement of a deterministic velocity field. Finally, the method is supplemented by a newly introduced sta- tistical analysis method which is capable of characterizing samples containing a heterogeneous size distribution.

For the proper function of the Fluorescence olographic microscope, it is necessary to adjust all the optical components of the microscope. Furthermore, the precise adjustment is the very critical condition for proper imaging of the Coherence-controlled holographic microscope. Therefore, it is necessary to create a sight collimator for these microscopes for their adjustment. The fluorescence holographic microscope is based on an interference and holographic principles, whose history is mentioned in the theoretical part of the thesis. The existing state of the art of laser sight collimators and their use in practice is also mentioned. The optical and mechanical design of the laser sight collimator and its realization are described in the next part of the thesis. The software for detecting the black sight cross was created for the use of the laser sight collimator in practice. The software is necessary to evaluate the correctness of the alignment of the adjusted microscope. The descriptions of the adjustment procedures for the laser sight collimator and for the Fluorescence holographic microscope are mentioned in the last part of the thesis. These procedures are necessary for proper manipulation and use with the proposed laser sight collimator.

This thesis deals with the use of Atomic Force Microscopy (AFM) and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) in solar cells production. Both techniques measure surface properties using interactions between surface and tip that progressively scans entire surface of the sample. Atomic force microscopy allows three dimensional imaging of surface structure. Kelvin probe force microscopy is used to measure the contact potential difference on the sample surface. There are described experimental measurements of monocrystalline and multicrystalline substrates after various etching processes using AFM. By using KPFM the contact potential difference was measured on dielectric layers PSG, SiOX, SiNX and Al2O3 and on selective emitter structures. All experiments described in this work were carried out at the Solartec Ltd. workplace and they completely correspond with the actual technology of crystalline solar cells production.