Les carbures et oxydes des métaux de transition sont d'une importance capitale dans le domaine industriel voir catalytique. Le carbure de tungstène WC a été identifié comme un bon substituant des métaux nobles tel que le platine dans le domaine catalytique. Le but de ce travail de thèse est d'appliquer des méthodes de chimie quantique les plus poussées pour déterminer la structure électronique, la stabilité et la nature de liaison chimique des diatomiques WC et WC2+. Notre recherche préliminaire est motivée par les données spectroscopiques disponibles sur W, W+, W2+, WC et WC2+. La méthodologie adoptée, CASSCF/MRCI/MRCI+Q/aug-cc-pV5Z(-PP) implémentée dans le code MOLPRO, consiste à réaliser des calculs quantique tenant en compte des effets de corrélation et relativistes avec un traitement spécifique du couplage spin−orbite pour la recherche des courbes d'énergie potentielle de l'état fondamental et des états excités de plus basses énergies de WCn+ (n=0-2) tout en utilisant une base suffisamment étendue. Les résultats de ce travail sont en bon accord avec ceux disponibles dans la littérature. En outre, dans ce travail nous avons confirmé pour la première fois que le carbure diatomique dicationique WC2+ est thermodynamiquement stable / Metal carbides and oxides are more interesting in catalytic and industrial domains. Tungsten carbide WC has been detected as serious substituent of platinum Pt catalytic. The ultimate goal of this thesis is theoretical studies of electronic structure, stability and the bound nature on WC, WO and its cations. Our preliminary research were motiving by the available spectroscopic data on W, W+, W2+, WC et WC2+. We used the methodology (CASSCF/MRCI/MRCI+Q/aug-cc-pV5Z(-PP)) implemented on MOLPRO package to perform quantum calculations with high accuracy taking into account the correlation and relativistic effects with a specific treatment of spin orbit coupling for some low lying excited electronic states of WCn+, (n=0, 1 et 2). Our results are shown in good agreement with those available in the literature. Furthermore, in this work for the first time we demonstrated that a carbide dication (WC2+) is thermodynamically stable

Los carburos cementados son materiales atractivos para muchas aplicaciones industriales debido a una combinación de propiedades mecánicas y físicas, estabilidad química y a su excelente resistencia al desgaste. Los carburos cementados ultrafinos y nanocristalinos están recibiendo una atención especial debido a su aplicación en el desarrollo de materiales para la industria electrónica y automotriz. La resistencia al desgaste de estos materiales experimenta un notable incremento cuando se reduce el tamaño de grano. La reducción en el tamaño de grano puede obtenerse por la adición de pequeñas cantidades de inhibidores de crecimiento de grano (especialmente Cr3C2 y/o VC), la selección del proceso y las condiciones de sinterización. En esta tesis se evalúa el comportamiento a fricción y desgaste por deslizamiento en seco de carburos cementados obtenidos de mezclas ultrafinas y nanocristalinas de WC-12%pesoCo con adición de VC y Cr3C2 como inhibidores de crecimiento de grano. Estas mezclas fueron consolidadas mediante sinterización convencional en vacío y sinterización por chispa de plasma. Los ensayos de desgaste por deslizamiento en seco se desarrollaron en un tribómetro con configuración bola sobre disco utilizando bolas de WC-6Co y AISI 5210 como contramateriales. Para los ensayos se utilizó como carga de contacto 40N y 60N, distancia de deslizamiento de 2000m y 10000m, velocidad de deslizamiento de 0.1m/s, condiciones medioambientales controladas. Los resultados obtenidos han mostrado que los carburos cementados nanoestructurados presentan una mayor resistencia al desgaste por deslizamiento en seco que los grados ultrafinos o submicrométricos. La adición de inhibidores de crecimiento de grano a la mezcla comercial se ha confirmado como una vía efectiva para incrementar la resistencia al desgaste, especialmente cuando las proporciones son hasta un 1% peso y se utiliza VC como afinador. La naturaleza elástica o plástica de las asperezas en contacto se ha manifestado en las diferencias encontradas en el coeficiente de fricción entre los materiales obtenidos de polvos ultrafinos y nanométricos. La sinterización por chispa de plasma, SPS, (y las condiciones de sinterización) resultó ser el método de sinterización con el que se obtienen las mejores propiedades tribológicas en condiciones de desgaste severo. Los parámetros de sinterización empleados para el método tradicional, Vacío, no resultaron adecuados cuando las proporciones de inhibidores exceden el 1%peso. El estudio de las micrografías de las huellas de desgaste por medio de MEB, EC MEB, EDX, reveló la coexistencia de varios mecanismos de desgaste que contribuyen al deterioro del material. Esto se ha relacionado con las propiedades microestructurales y mecánicas de los carburos cementados, con la naturaleza del contramaterial y con el método de procesado. Finalmente, se ha demostrado que ejerce más influencia en la resistencia al desgaste de los carburos cementados finos un buen control microestructural que solo el incremento de la dureza o reducción en el tamaño de grano. / Espinosa Fernández, L. (2013). Influencia de inhibidores de crecimiento de grano en el comportamiento tribológico de carburos cementados WC-Co a partir de polvos nanométricos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29534 / TESIS

In der Bioinformatik und der Next-Generation Sequenzierung benötigen wir oft große und komplexe Verarbeitungsabläufe um Daten zu analysieren. Die Werkzeuge und Bibliotheken, die hierin die Verarbeitungsschritte bilden, stammen aus unterschiedlichen Quellen und exponieren unterschiedliche Schnittstellen, was ihre Integration in Datenanalyseplattformen erschwert. Hinzu kommt, dass diese Verarbeitungsabläufe meist große Datenmengen prozessieren weshalb Forscher erwarten, dass unabhängige Verarbeitungsschritte parallel laufen. Der Stand der Technik im Feld der wissenschaftlichen Datenverarbeitung für Bioinformatik und Next-Generation Sequenzierung sind wissenschaftliche Workflowsysteme. Ein wissenschaftliches Workflowsystem erlaubt es Forschern Verarbeitungsabläufe als Workflow auszudrücken. Solch ein Workflow erfasst die Datenabhängigkeiten in einem Verarbeitungsablauf, integriert externe Software und erlaubt es unabhängige Verarbeitungsschritte zu erkennen, um sie parallel auszuführen. In dieser Arbeit präsentieren wir Cuneiform, eine Workflowsprache, und ihre verteilte Ausführungsumgebung. Für Cuneiform's Design nehmen wir die Perspektive der Programmiersprachentheorie ein. Wir lassen Methoden der funktionalen Programmierung einfließen um Komposition und Datenabhängigkeiten auszudrücken. Wir nutzen operationelle Semantiken um zu definieren, wann ein Workflow wohlgeformt und konsistent ist und um Reduktion zu erklären. Für das Design der verteilten Ausführungsumgebung nehmen wir die Perspektive der verteilten Systeme ein. Wir nutzen Petri Netze um die Kommunikationsstruktur der im System beteiligten Agenten zu erklären. / Bioinformatics and next-generation sequencing data analyses often form large and complex pipelines. The tools and libraries making up the processing steps in these pipelines come from different sources and have different interfaces which hampers integrating them into data analysis frameworks. Also, these pipelines process large data sets. Thus, users need to parallelize independent processing steps. The state of the art in large-scale scientific data analysis for bioinformatics and next-generation sequencing are scientific workflow systems. A scientific workflow system allows researchers to describe a data analysis pipeline as a scientific workflow which integrates external software, defines the data dependencies forming a data analysis pipeline, and parallelizes independent processing steps. Scientific workflow systems consist of a workflow language providing a user interface, and an execution environment. The workflow language determines how users express workflows, reuse and compose workflow fragments, integrate external software, how the scientific workflow system identifies independent processing steps, and how we derive optimizations from a workflow's structure. The execution environment schedules and runs data processing operations. In this thesis we present Cuneiform, a workflow language, and its distributed execution environment. For Cuneiform's design we take the perspective of programming languages. We adopt methods from functional programming towards composition and expressing data dependencies. We apply operational semantics and type systems to define well-formedness, consistency, and reduction of Cuneiform workflows. For the design of the distributed execution environment we take the perspective of distributed systems. We apply Petri nets to define the communication patterns among the distributed execution environment's agents.

Les matrices en carbure de Tungstène et Cobalt (WC‐Co) sont utilisées dans les procédés de frappe à froid de l’acier pour leur exceptionnelle capacité à résister aux phénomènes d’usure. Ces travaux ont pour objectif de mieux comprendre les mécanismes complexes qui entrainent finalement la dérive des matrices vers l’état usé. Cette complexité vient des liens étroits entre la microstructure et les propriétés mécaniques macroscopiques de ces matériaux. Pour la compréhension des mécanismes de dérive vers l’usure, une stratégie de travail en quatre étapes est établie. La première étape est le prélèvement de matrices de frappe, avec différentes durées de vie, directement sur la chaîne de production. La deuxième étape est l’identification de la rhéologie. Elle s’accompagne de la modélisation numérique du procédé de frappe pour calculer le champ des contraintes et des déformations plastiques. La troisième étape est la caractérisation localisée de l’évolution de la surface selon trois axes : les propriétés tribologiques, morphologiques, et mécaniques. On quantifie ainsi la dégradation progressive des conditions de contact corrélée avec une fragilisation des surfaces et la décohésion de grains de carbures WC. Pour comprendre les mécanismes qui conduisent à la décohésion de grains, une stratégie de modélisation numérique à l'échelle mésomécaniques 2D est mise en place. L’énergie de rupture entre un grain et le reste du matériau est modélisée par des éléments cohésifs. Ces modèles montrent que la sensibilité de chaque grain à l’arrachement dépend non seulement des conditions de contact et de la ténacité du matériau, mais également de la taille et de la configuration du grain au voisinage de la surface. / Tungsten carbide and Cobalt (WC‐Co) dies are used for cold forming processes of steel because of their exceptional performances in resisting wear phenomena. This work aims to a better understanding of the complex damage mechanisms that eventually cause wear. This complexity comes from the existing relationships between their microstructure and their macroscopic mechanical properties. For a better understanding of the damage mechanisms leading towards wear, a four‐step strategy is presented. The first step is the cold heading dies sampling directly on the production line. They are collected at different lifetimes. The second step is the identification of the die rheology. It is followed by numerical modeling of the forging process to calculate the stress field and plastic strain magnitude. The third step is to characterize the local evolution of the surface properties along three axes: the tribological, the morphological and mechanical aspects. These analyses quantify the progressive decrease of contact conditions correlated with surface embrittlement and WC carbide grains debonding. To understand the mechanisms that lead to the grains debonding, a set of 2D mesoscale contact models are performed. The fracture energy between a WC grain and the rest of the material is computed using cohesive elements. These models show that the sensitivity to debonding depends not only on the contact conditions and the material fracture toughness, but also on the grain size and grain configuration in the vicinity of the surface.

Enhancer regulieren die Transkription ihrer Zielgene und deren Expression. Sie bieten eine Bindestelle für verschiedenste Transkriptionsfaktoren (TF) und RNA Polymerase II (RNAPII) und unterstützen die Gentranskription durch das Zustandekommen von Chromatinkontakten. Zusätzlich transkribiert RNAPII in Enhancer-Regionen kurze, non-polyadenylierte Transkripte, die man Enhancer-RNA (eRNA) nennt. Der Mechanismus der RNAPII-Rekrutierung und –Regulation an Enhancern ist bisher wenig verstanden, insbesondere wie das Vorhandensein von RNAPII-Modifikationen den Chromatinstatus, -faltung sowie die Genaktivierung beeinflusst. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Enhancer-Bestimmung miteinander verglichen. Während eine klare Bestimmung des besten Ansatzes sich als komplex erwies, konnte gezeigt werden, dass die Bindung von RNAPII an regulatorische Regionen in Zusammenhang mit TF eine universelle Konstante darstellte. Weiterhin wurden der Status der Enhancer-gekoppelten RNAPII-Aktivierung und deren Transkriptionsaktivität untersucht. Als Hauptergebnis ergab sich, dass der RNAPII-Status mit der Enhancer-Aktivität und daraus folgend mit veränderter Transkriptionsaktivität korreliert ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Vorhandensein extragenischer RNAPII ein neues Werkzeug zur Identifikation von regulatorischen Regionen ist. Erfolgreich konnten regulatorische Regionen in embryonalen Stammzellen der Maus sowie während der neuronalen Differenzierung vorhergesagt und mittels Enhancer-Aktivität in-vivo bestätigt werden. Dabei zeigte sich, dass im Laufe der der neuronalen Differenzierung extragenische RNAPII-Bindung spezifische Aktivierungsmuster aufweist: ihr Transkriptionslevel wird durch Kinasen feinmaschig reguliert und es werden verschiedene Formen maturierter RNA erzeugt. Zusammenfassend konnte RNAPII als Werkzeug zur Identifikation und Charakterisierung regulatorischer Regionen in verschiedenen Zelltypen ausgemacht werden. Selbst mit minimalen RNAPII-Datensätzen ist es möglich, gleichzeitig regulatorische Regionen zu identifizieren als auch ihren eigenen Aktivierungsstatus sowie den ihrer kodierender Genpromotoren zu bestimmen. / Enhancers regulate transcription of target genes and gene expression. They act as recruitment sites for multiple transcription factors (TFs) and RNA polymerase II (RNAPII) and favour transcription of target genes through chromatin contacts. RNAPII at enhancer regions transcribes short and mostly non-polyadenylated transcripts, called enhancer RNAs (eRNAs). The mechanisms of RNAPII recruitment and regulation at enhancers remain ill understood, in particular how signalling through RNAPII modifications may influence chromatin states, looping and gene activation. In this study, I compare enhancer lists defined with different approaches and find that their relation is very complex. However, I find that RNAPII binding co-occurs with TF binding at regulatory regions, independently of the identification approach used. I characterize the state of RNAPII activation at enhancers and its transcriptional activity. I find that RNAPII state reflects enhancer activation state and correlates with different transcriptional outputs. In addition, I demonstrate that extragenic RNAPII is a novel tool to identify regulatory regions. I successfully identified putative regulatory regions in mESC and during neuronal differentiation, with enhancer activity in vivo. Extragenic RNAPII regions have specific activation patterns during neuronal differentiation, are finely regulated at the transcriptional level by kinases and transcribe differently mature RNAs. In conclusion, I establish RNAPII as a tool to identify and characterise regulatory regions in a cell type of interest. With minimal RNAPII datasets it is possible to simultaneously identify regulatory regions, infer their state of activation, and the state of activation of coding gene promoters.

Zellen benutzen Signalwege ein, um auf Änderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung zu reagieren. Der Signalweg des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGFβ) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung vieler zellulärer Prozesse, einschließlich Zellproliferation, Differenzierung und Migration. Obwohl die Hauptkomponenten der TGFβ-Signalgebung in den letzten Jahrzehnten identifiziert und erforscht wurden, ist das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens durch das Fehlen von Methoden eingeschränkt, die die Steuerung der TGFβ-Signalgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein optogenetisches System (das optoTGFβ-System) entwickelt, bei dem Licht dazu verwendet wird, die TGFβ-Signalgebung zeitlich und räumlich präzise zu steuern. Erstens wurde die Funktionalität des optoTGFβ-Systems durch Vergleich mit dem endogenen TGFβ-Signalsystem überprüft. Zweitens wurde durch das gleichzeitige Überwachen der subzellulären Translokation der Rezeptoren und der Smad-Proteine mittels „Live Cell Imaging“ gezeigt, dass die TGFβ-Signalgebung durch Modulation der Lichtstimulationen in einzelnen Zellen spezifisch aktiviert werden kann. Drittens wurde in Kombination mit der mathematischen Modellierung die Dynamik der TGFβ-Signalgebung im optoTGFβ-System quantitativ bestimmt. Die räumliche und zeitliche Präzision der optischen Kontrolle machen das optoTGFβ-System zu einem neuartigen und leistungsfähigen Methode für die quantitative Analyse und Manipulation von TGFβ-Signalen auf Einzelzellebene. / Cells employ signaling pathways to make decisions in response to changes in their immediate environment. Transforming Growth Factor β (TGFβ) signaling pathway plays pivotal roles in regulating many cellular processes, including cell proliferation, differentiation and migrations. Although the principal components of TGFβ signaling have been identified and explored in recent decades, understanding its dynamic behavior is limited by the lack of tools that allow the control of TGFβ signaling at high spatiotemporal resolution. In this thesis, we developed an optogenetic system (the optoTGFβ system), in which light is used to control TGFβ signaling precisely in time and space. First, we validated the functionality of the optoTGFβ system by comparing it with the endogenous TGFβ signaling system. Second, by simultaneously monitoring the subcellular translocation of the receptors and Smad proteins using live cell imaging, we showed that TGFβ signaling can be specifically activated in single cells through modulating the light stimulations. Third, in combination with mathematical modeling, we quantitatively characterized the dynamics of TGFβ signaling in the optoTGFβ system. The spatial and temporal precision of optical control makes the optoTGFβ system a novel and powerful tool for quantitative analyses and manipulation of TGFβ signaling at the single cell level.

Optimale Konservierungsmethoden sind erforderlich, um die bedarfsgerechte Verfügbarkeit kardiovaskulärer Transplantate für den Ersatz geschädigter Gewebe (Herzklappen oder Gefäße) zu garantieren. Die konventionelle Kryokonservierung (engl.: Conventional Frozen Cryopreservation, CFC) ist derzeit der Standard zur Konservierung kardiovaskulärer Allografts. Jedoch limitieren Immunreaktionen deren Langzeitfunktionalität. Die Alternative der eisfreien Kryokonservierung (engl.: Ice-free Cryopreservation, IFC) wurde kürzlich entwickelt. In der Arbeit wurde die Reaktion des humanen Immunsystems auf allogene kardiovaskuläre Gewebe nach Anwendung unterschiedlicher Konservierungsmethoden umfänglich charakterisiert. Zusätzlich wurde Glutaraldehyd (GA)-fixiertes Gewebe untersucht, um die Ergebnisse in den Gesamtkontext der Gewebekonservierung einzuordnen. Die Analyse des konservierten humanen Aortengewebes, welches als Modellmaterial diente, ergab, dass die Gewebestruktur nach IFC erhalten blieb, jedoch die metabolische Aktivität sowie Apoptose und Nekrose des Gewebes durch IFC reduziert wurde. Dies spiegelte sich auch in der verminderten Freisetzung von Zytokinen aus IFC-Gewebe wider. Funktionelle In-vitro-Tests zeigten deutlich, dass Immunzellen verstärkt in Richtung der löslichen Faktoren aus CFC- und GA-fixiertem Gewebe, jedoch nicht aus IFC-Gewebe migrieren. In Kokulturen der Makrophagen auf dem Aortengewebe konnte ausschließlich bei Makrophagen, welche auf GA-fixiertem Gewebe kultiviert wurden, eine Polarisation zum M1-Phänotyp festgestellt werden. Weiterhin zeigte sich, dass lediglich Faktoren des CFC-Gewebes in der Lage waren, die Aktivierung und Proliferation von T-Zellen zu verstärken. Insgesamt belegen diese Daten detailliert, dass IFC die Eigenschaften des Gewebes selektiv moduliert und dadurch eine verringerte Aktivierung des Immunsystems stattfindet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass IFC eine aussichtsreiche Strategie zur verbesserten Konservierung darstellt. / Optimal preservation methods are needed, to ensure constant availability of biological matrices for the replacement of damaged cardiovascular structures (heart valves or vessels). Conventional frozen cryopreservation (CFC) is currently the gold standard for cardiovascular allograft preservation. However, inflammation and structural deterioration limit transplant durability. The recently developed method of Ice-free cryopreservation (IFC) might be a superior method. The aim of this study was to characterize the reaction of the human immune system to allogeneic cardiovascular tissues after different cryopreservation methods. Regarding some aspects, the cryopreservation was compared to glutaraldehyde (GA) fixation, which is another common tissue preservation method. Human aortic tissue served as a proof-of-principle material for heart valves and vascular allografts. First, the histological and metabolic features of the differently preserved aortic tissues were analyzed. Tissues preserved by IFC exhibited typical architecture but significantly lower metabolic activity and the absence of necrotic or apoptotic cells. The reduced release of cytokines from IFC-tissue reflected these latter observations. In functional in-vitro-assays it was shown that migration of immune cells was significantly enhanced by soluble factors from CFC and GA-fixed tissue, but not by factors from IFC-tissue. In co-cultures of macrophages on aortic tissue, none of the preserved tissue induced activation. Exclusively GA-fixed tissue triggered the polarization of macrophages towards a M1-phenotype. Moreover, cues from only CFC-tissue but not IFC-tissue amplified T cell activation and proliferation. In conclusion, IFC selectively modulates the characteristics of tissues resulting in an attenuated activation of the human immune system. Therefore, IFC treatment is a promising strategy for improved tissue preservation and storage of cardiovascular allografts for clinical use.

Zirkuläre RNAs sind eine Klasse endogener, tierischer RNAs. Obwohl sie hoch abundant sind, ist weder ihre Funktion noch ihre Expression im Nervensystem bekannt. Es wurde ein Katalog zirkulärer RNAs in neuralen Proben erstellt. Es konnten tausende zirkuläre RNAs von Mensch und Maus entdeckt und analysiert werden. Zirkuläre RNAs sind außerordentlich angereichert im Säugetiergehirn, ihre Sequenz ist gut konserviert und sie sind häufig gemeinsam in Mensch und Maus exprimiert. Zirkuläre RNAs waren generell höher exprimiert im Verlauf der neuronalen Differenzierung, sind stark angereichert an Synapsen und oft differentiell exprimiert. circSLC45A4 ist die Hauptisoform, die in humanem präfrontalem, embryonalen Cortex von diesem genomischen Lokus exprimiert wird und eine der am höchsten exprimierten zirkulären RNAs in diesem System. Induzierte Verminderung der Expression von circSLC45A4 ist ausreichend, um die spontane neuronale Differenzierung einer humanen Neuroblastomzelllinie zu induzieren. Dies kann durch die verstärkte Expression neuronaler Markergene belegt werden. Verminderung der Expression von circSLC45A4 im embryonalen Mauscortex verursacht eine signifikante Reduktion von basalen Progenitoren. Außerdem wurde eine signifikante Reduktion von Zellen in der kortikalen Platte nach Depletion von circSLC45A4 gemessen. Weiterhin konnten die Ergebnisse im Mauscortex dekonvoliert werden. Dies zeigte die Zunahme von Cajal-Retzius Zellen. Es wird eine Methode vorgestellt, die RNA-Sequenzierung von Einzelzellen mit räumlicher Auflösung zulässt, ohne vorherige Kenntnisse des Systems zu benötigen. 3D-seq vereint die Applikation eines physischen Gitters mit kombinatorischem Indizieren, so dass Einzelzellen individuell und räumlich markiert werden können. 3D-seq wurde an koronalen Schnitten von adultem Mausgehirn etabliert. Die Daten wurden zur Reproduktion des Gewebes in silico genutzt. 3D-seq ein leicht zu adaptierendes Protokoll, das an jedem Gewebe angewendet werden kann. / Circular RNAs (circRNAs) are an endogenous class of animal RNAs. Despite their abundance, their function and expression in the nervous system are unknown. Therefore, a circRNA catalogue comprising RNA-seq samples from different brain regions, primary neurons, synaptoneurosomes, as well as during neuronal differentiation was created. Using these and other available data, thousands of neuronal human and mouse circRNAs were discovered and analyzed. CircRNAs were extraordinarily enriched in the mammalian brain, well conserved in sequence, often expressed as circRNAs in both human and mouse, and sometimes even detected in Drosophila brains. CircRNAs were overall upregulated during neuronal differentiation, highly enriched in synapses, and often differentially expressed compared to their corresponding mRNA isoforms. CircRNA expression correlated negatively with expression of the RNA-editing enzyme ADAR1. Knockdown of ADAR1 induced elevated circRNA expression. Together, a circRNA brain expression atlas and evidence for important circRNA functions is provided. Starting from this catalogue a circRNA, circSLC45A4 was identified. It is the main RNA isoform produced from its genetic locus in the developing human frontal cortex and one of the highest expressed circRNAs in that system. Knockdown of this conserved circular RNA in a human neuroblastoma cell line was sufficient to induce spontaneous neuronal differentiation, measurable by increased expression of neuronal marker genes and neurite outgrowth. Depletion of circSlc45a4 in the developing mouse cortex caused a significant reduction of the basal progenitor pool and increased the expression of neurogenic regulators like Notch2, Foxp2, and Unc5b. Furthermore, a significant depletion of cells in the cortical plate after knockdown of circSlc45a4 was observed. In addition, deconvolution of the bulk RNA-seq data with the help of single cell RNA-seq data validates the depletion of basal progenitors after knockdown of circSlc45a4 in the mouse cortex and reveals an increase in Cajal-Retzius cells. Taken together, a detailed study of a conserved circular RNA that is necessary to maintain the pool of neural progenitors in vitro and in vivo is presented. The developing mouse cortex is a good illustration for a highly spatially organized tissue and why knowledge of spatial information for each cell can be of great importance. However, obtaining transcriptome-wide and spatially resolved information from single-cells has been proven to be a challenging task. Current state-of-the-art experimental methods are either limited by the number of genes that can be detected simultaneously within a single-cell or require preexisting spatial information. Here, 3D-seq, a new experimental technique that allows unbiased, high-throughput single-cell spatial transcriptomics is introduced. 3D-seq combines a physical grid with combinatorial indexing to label single cells of any tissue in a unique way and thereby preserving the approximate spatial localization of any given cell. 3D-seq was applied to coronal slices of adult mouse brain, more than 70 cell types were identified and the 3D-seq data was used to reproduce the tissue in silico with single-cell resolution. Furthermore, 3D-seq is easy to adapt, can be applied to any tissue and can be combined with other technologies.

The aim of this work was to systematically study how the microstructure evolution is affected by the carbon activity in WC-Ni cemented carbides. Seven WC-9.59at%Ni alloys with different carbon activity were sintered at 1500 °C. From investigating these alloys, the carbon window has been experimentally evaluated using light optical microscopy and compared to theoretical carbon window calculated using Thermo-Calc. The overall microstructure of cross sections and raw surfaces have been investigated using scanning electron microscopy. Finally, the WC grain size and distribution have been evaluated using electron backscatter diffraction. It was found that the experimental carbon window was slightly wider than the theoretical carbon window. The WC grain size increased and the grain size distribution got wider with increasing carbon activity. In addition, the largest WC grains showed the largest grain growth by increasing carbon activity. By comparing the present results of grain size and distribution of WC-Ni to previous results of WC-Co, it was found that the WC grain growth was more pronounced and more influenced by the carbon activity.

QuasArs, eine neue Klasse von fluoreszierenden Membranspannungssensoren basierend auf Archaerhodopsin-3, wurde von Hochbaum et al. im Jahr 2014 beschrieben. Die neuen Konstrukte zeigen eine für mikrobielle Rhodopsine außergewöhnlich hohe Fluoreszenzquantenausbeute. Außerdem ist die Fluoreszenz spannungsabhängig, was für Membranspannungssensoren eine wünschenswerte Eigenschaft ist. Diese Sensoren bieten ein hohes räumliches und zeitliches Auflösungsvermögen, wodurch neuronale Aktivität verfolgt werden könnte. Obwohl mehrere Varianten vorgeschlagen wurden ist ihre Fluoreszenzquantenausbeute immer noch zu gering (<1%) für Anwendungen in lebenden Nagetieren und erfordert weitere Verbesserungen für bildgebende Anwendungen. Das rationale Design der Rhodopsin-basierten Fluoreszenzsensoren der nächsten Generation ist jedoch nur eingeschränkt möglich, da die derzeit verwendeten QuasArs mittels zufälliger Mutagenese gefunden wurden. Um verbesserte Konstrukte zu entwickeln, ist es wichtig die Funktionalität der spannungssensitiven Fluoreszenz und die Rolle der eingeführten Mutationen zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die mikrobiellen Rhodopsin-basierten Spannungssensoren und der Ursprung ihrer spannungsmodulierten Fluoreszenz untersucht. Die Photodynamik dieser Spannungssensoren wurde mit UV/Vis-Steady-State und -transienter Spektroskopie untersucht. Die Archaerhodopsin-3 Varianten durchlaufen einen ungewöhnlichen Photozyklus mit verlängerter Lebensdauer des angeregten Zustands und ineffizienter Photoisomerisierung. Präresonanz-Raman-Spektroskopie und Hochdruckflüssigkeitschromatographie ermöglichten die direkte Untersuchung des Chromophors in diesen besonderen Rhodopsinen. Molekulardynamiksimulationen, unterstützt durch spektroskopische Studien, liefern ein Modell der Proteindynamik unter Einfluss der Membranspannung. Protein-Engineering ermöglichte die Identifizierung der Aminosäuren, die für die Erhöhung der Fluoreszenzquantenausbeute benötigt werden, und der Schlüsselreste, die an der Spannungsmessung beteiligt sind. Aussichtsreiche Konstrukte mit verbesserten Eigenschaften wurden vorgeschlagen und getestet. / Novel class of fluorescent membrane voltage sensors QuasArs, based on Archaerhodopsin-3, have been reported by Hochbaum et al. in 2014. The new constructs show unusually high fluorescence quantum yield for microbial rhodopsins. Furthermore the fluorescence is voltage-dependent, which is a desirable property for membrane voltage sensors. These tools would offer high spatiotemporal resolution allowing to track neuronal spiking. Although multiple constructs have been proposed, their fluorescence quantum yield is still too low (<1%) for applications in living rodents and requires further improvement for imaging applications. However, rational design of the next generation rhodopsin-based fluorescent sensors is restrained since the current constructs were found using random mutagenesis. To develop improved constructs it is essential to understand the functionality of the voltage-sensitive fluorescence and the role of the introduced mutations. In this thesis, the microbial rhodopsin based voltage sensors and the origin of their voltage-modulated fluorescence were studied. The photodynamics of microbial rhodopsin-based voltage sensors were studied with UV/Vis steady state and transient spectroscopy. The archaerhodopsin-3 variants undergo an unusual photocycle with extended excited state lifetime and inefficient photoisomerization. Pre-resonance Raman spectroscopy and high-pressure liquid chromatography allowed to directly study the chromophore composition in these peculiar rhodopsins. Molecular dynamics simulations, supported by spectroscopic studies, provide a model of protein dynamics taking place under different membrane voltage conditions. Protein engineering allowed to identify the residues needed for the increase of the fluorescence quantum yield and key residues involved in the voltage sensing. Promising constructs, with improved properties, were proposed and tested.