Molecular mechanism of Cannabinoid receptor 1 regulation by SGIP1 Abstract Src homology 3-domain growth factor receptor-bound 2-like endophilin interacting protein 1 (SGIP1) has been identified as an interacting partner of cannabinoid receptor 1 (CB1R). Their protein-protein interaction was confirmed by co-immunoprecipitation. SGIP1 hinders the internalization of activated CB1R and modulates its signaling in HEK293 cells. Employing whole-cell patch-clamp electrophysiology, we have shown that SGIP1 affects CB1R signaling in autaptic hippocampal neurons. Using a battery of behavioral tests in SGIP1 constitutive knock-out (SGIP1-/- ) and WT mice, we investigated the consequences of SGIP1 deletion on behavior regulated by the endocannabinoid system. In SGIP1-/- mice, exploratory levels, working memory and sensorimotor gating were unaltered. SGIP1-/- mice showed decreased anxiety-like and depressive-like behaviors. Fear extinction to tone was enhanced in SGIP1-/- females. Several cannabinoid tetrad behaviors were altered in the absence of SGIP1. SGIP1-/- males exhibited abnormal THC withdrawal behaviors. SGIP1 deletion also reduced acute nociception, and SGIP1-/- mice were more sensitive to antinociceptive effects of CB1R agonists and morphine. CB1R-SGIP1 interaction results in profound modification of CB1R...

Im Bereich der Umwelttechnik bieten sich vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Sol-Gel-immobilisierte Mikroorganismen sowohl für die Entfernung als auch für die Detektion von Schadstoffen an. Für einen effizienten Einsatz sind zum einen eine hohe Langzeitaktivität und -vitalität der eingebetteten Zellen als auch eine gute Lagerbeständigkeit wichtig. Neben einer hohen Makroporosität, die sowohl für einen guten Stoffaustausch mit der Umgebung sorgt sowie den Zellen Raum für Zellteilung bietet, ist vor allem auch die Aufrechterhaltung der Feuchtigkeit in der Immobilisierungsmatrix während der Immobilisierung, der Lagerung und des Einsatzes wichtig. Besonders vorteilhaft hat sich hier eine Immobilisierung in dünnen SiO2-Schichten auf Blähtonbruchstücken erwiesen, da dieses Trägermaterial neben einer hohen Makroporosität auch ein hohes Wasserspeichervermögen besitzt. Immobilisiert in dünnen SiO2-Schichten auf Blähton konnten diverse Schadstoff-abbauende Mikroorganismen mehrere Monate auch außerhalb eines flüssigen Mediums unter feuchten Bedingungen gelagert werden, ohne dass ihre Abbauleistung erheblich sank. Ein weiteres Verfahren um Immobilisierungsmaterialien mit überdurchschnittlich hoher Makroporosität bei gleichzeitig hoher Stabilität zu erzeugen, stellt das Freeze-Gelation Verfahren dar. Über einen Gefriertrocknungsschritt können hier zudem die zu immobilisierenden Zellen in eine trocken lagerfähige Form überführt werden, wodurch Handhabung sowie Lagerung und Transport vereinfacht werden. Außerdem kann durch Wahl der Einfrierbedingungen und Zugabe von Füllstoffen zu dem SiO2-Sol entscheidend die Porenstruktur der Immobilisierungsmatrix beeinflusst und den Anforderungen entsprechend eingestellt werden. Allerdings zeigte sich, dass diese Methode nicht für alle Mikroorganismen gleichermaßen geeignet ist. Trotz diverser kryoprotektiver Maßnahmen konnte keine ausreichende Überlebensrate für sensible Stämme wie Aquincola tertiaricarbonis L108 erzielt werden. Neben der Erhöhung der Makroporosität der SiO2-Matrix wurde versucht das Sol-Gel-Verfahren mit einem flexiblen organischen Polymer (Na-Alginat) zu kombinieren, um eine Immobilisierungsmatrix mit einem weichen Kern zu erzeugen, der Zellteilung zulässt. Als zusätzlicher Vorteil des entwickelten Alginat/SiO2-Hybridmaterials erwies sich, dass dieses auch auf einfache Weise mittels Drucktechniken in definierten Spots abgelegt werden kann und so die Zellen in Arrays abgelegt werden können. Das Potential dieser Methodik für die Entwicklung von Ganzzellsensoren wurde am Beispiel der Grünalge Chlorella vulgaris als Modell-Sensorzelle demonstriert und für die Detektion von Atrazin als Modellsubstanz eingesetzt.:Inhalt Abstract 1 Danksagung/Vorwort 2 Inhalt 4 Abkürzungsverzeichnis 6 Abbildungsverzeichnis 8 Tabellenverzeichnis 11 1 Einleitung und Motivation 12 1.1 Zielstellung der Arbeit 14 2 Grundlagen 16 2.1 Sol-Gel-Verfahren 16 2.1.1 Geschichte des Sol-Gel-Verfahrens 16 2.1.2 Chemische Grundlagen des Sol-Gel-Verfahrens 18 2.1.3 Prekursoren (Vorläufermaterialien) 19 2.1.3.1 Alkoxysilane (Siliciumalkoxide) 19 2.1.3.2 Alkalisilikate 23 2.1.4 Modifizierungsmöglichkeiten der SiO2-Matrix 24 2.1.4.1 Chemische Modifizierung 24 2.1.4.2 Physikalische Modifizierung 25 2.1.4.3 Organisch-anorganische Hybridmaterialien 26 2.1.4.4 Alginat/SiO2-Hybridmaterialien 26 2.2 Sol-Gel-Immobilisierung von Mikroorganismen 28 2.2.1 Sol-Gel-Beschichtung von Trägermaterialien 30 2.2.2 Sol-Gel-Immobilisierung in (Hydro-)Gelkörpern 33 2.2.2.1 Sonderform: Freeze-Gelation-Formkörper 35 2.2.3 Sol-Gel-Immobilisierung mittels Drucktechniken 37 3 Material und Methoden 38 3.1 Mikroorganismen 38 3.2 Freeze-Gelation-Verfahren 39 3.2.1 Zellimmobilisierung 39 3.2.2 Kryoprotektektive Maßnahmen 40 3.2.3 Charakterisierung der Freeze-Gelation-Formkörper 40 3.2.4 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffabbau 41 3.3 Beschichtung von Trägermaterialien 42 3.3.1 Synthese des SiO2-Sols 42 3.3.2 Vorbehandlung der Trägermaterialien 42 3.3.3 Zellimmobilisierung 42 3.3.4 Charakterisierung der Trägermaterialien 43 3.3.5 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffabbau 44 3.4 Alginat/SiO2-Hybridgele 44 3.4.1 Synthese amino-funktionalisierter SiO2-Sole 44 3.4.1.1 Charakterisierung der amino-funktionalisierten SiO2-Sole 45 3.4.2 Vernetzung von Na-Alginat mit amino-funktionalisiertem SiO2-So (Erzeugung von Alginat/SiO2-Hydrogelen) 45 3.4.2.1 Vorbehandlung der Trägermaterialien 45 3.4.2.2 Charakterisierung der Alginat/SiO2-Hydrogele 46 3.4.3 Zellimmobilisierung 47 3.4.3.1 Charakterisierung der immobilisierten Zellen 48 3.4.4 Aktivitätsuntersuchung – Schadstoffdetektion 48 3.4.4.1 PAM-Fluorometer: Atrazin 48 4 Ergebnisse und Diskussion 50 4.1 Lösungsstrategien 50 4.2 Freeze-Gelation-Formkörper 54 4.3 Sol-Gel-Beschichtung von Trägermaterialien 65 4.4 Alginat/SiO2-Hybridmaterialien 74 4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 93 5 Schlussfolgerung und Ausblick 99 6 Literaturverzeichnis 102 7 Verzeichnis eigener Publikationen 109 ANHANG 111

Ganzzellsensoren sind potentielle Kandidaten für den Einsatz in der Umwelttechnik zur Detektion von Schwermetallen, organischen Lösungsmitteln oder Xenobiotika. Ebenso können mit ihrer Hilfe andauernde Prozesse, wie z.B. in der Biogasentwicklung, überwacht werden. Etablierte, auf Genexpression basierende Ausleseverfahren besitzen unterschiedliche Nachteile, die den Einsatz bisher weitestgehend auf das Labor beschränken. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu drei alternative Auslesemöglichkeiten evaluiert, die durch kostengünstige Messverfahren und einem einfachen experimentellen Aufbau realisiert werden können. Die gezielte Morphologieänderung von Sensorhefen, die analytinduzierte Aggregation von Zellen und die analytabhängige Anlagerung von Goldnanopartikeln an Sensorhefen. Während sich die zwei erstgenannten Verfahren derzeit noch in Entwicklungszustand befinden, konnte durch die Anlagerung von Goldnanopartikeln an Sensorhefen der Wirkstoff Diclofenac erfolgreich detektiert werden. Die dazu notwendige Inkubationsdauer der Sensorhefen mit Diclofenac als auch das Detektionslimit wurde im Vergleich zu veröffentlichten Daten um je eine Größenordnung verringert.

Projet I : Les endospores représentent un état de dormance des bactéries leur permettant de résister à des conditions extrêmes et de persister pendant des années. La formation d'endospores a façonné l'évolution puisqu’elle se produit exclusivement chez les Firmicutes. Plusieurs études ont rapporté la formation d'endospores chez des espèces en dehors des Firmicutes, en particulier chez deux espèces de Protéobactéries, Rhodobacter johrii et Serratia marscescens, et une espèce d'Actinobacteries, Mycobacterium marinum. Le fait d’identifier les endospores en dehors des Firmicutes pourrait affecter la forme de l'arbre de vie et aiderait dans notre lutte contre les agents pathogènes humains. Par conséquent, nous avons visé d’étudier l'endosporulation chez ces trois espèces en utilisant des approches avancées d'imagerie et d'analyse, y compris la microscopie corrélative alliant la microscopie optique et électronique (CLEM), la tomographie de cryo- électron (cryo-ET) et la lipidomique. Nous avons utilisé la bactérie sporulante bien caractérisée Bacillus subtilis comme contrôle positif de la sporulation. L'examen de R. johrii, S. marcescens et M. marinum en utilisant CLEM et cryo-ET a montré que les objets à phase brillante ne ressemblaient à aucun stade de l'endosporulation. Les cryo-tomogrammes ont montré que les objets à phase brillante chez S. marcescens étaient des débris cellulaires agrégés de cellules mortes, alors qu'ils présentaient des structures granulaires typiques des cellules bactériennes chez les R. johrii et M. marinum. L'analyse lipidomique chez R. johrii a identifié les structures granulaires comme des granules de stockage potentiels enrichis en triacylglycérides (TAG). Nous pensons que les TAG peuvent fournir une source d'énergie pour résister à l'épuisement des nutriments. Des approches biochimiques et bioinformatiques supplémentaires ont soutenu nos conclusions selon lesquelles R. johrii, S. marcescens et M. marinum sont des bactéries non sporulantes. Projet II : Les plasmides jouent un rôle vital dans la propagation des gènes de résistance au sein et entre les espèces bactériennes. Par conséquent, il est essentiel de comprendre les systèmes bactériens impliqués dans le transfert et la maintenance des plasmides pour mieux aider dans notre lutte contre la propagation de la résistance aux antibiotiques. Dans cette thèse de doctorat, nous avons cherché à caractériser l'opéron alp7ARC, en utilisant l'homologue de l'actine bactérienne Alp7A pour séparer le plasmide pLS20 codant pour la résistance à la tétracycline dans B. subtilis. La stabilité du plasmide s'est avérée dépendante de l'opéron alp7ARC, indiquant un rôle essentiel dans la ségrégation plasmidique. Nos résultats préliminaires sur Alp7A ont montré qu'il s'assemble dans une nouvelle nanostructure tubulaire plutôt que des filaments, suggérant un nouveau mécanisme de ségrégation de l'ADN par Alp7A. Nous avons également étudié la structure d'Alp7A in vivo en utilisant une combinaison d'approches, notamment la biologie moléculaire, la Cryo-ET et la fLM. Nous avons également utilisé la CLEM pour localiser Alp7A dans des cellules entières à une résolution macromoléculaire. En outre, nous avons étudié la structure et la fonction d'Alp7A in vitro en transfectant B. subtilis et E. coli avec diverses constructions plasmidiques incorporant des mutations dans le gène d’Alp7A. Nous avons déployé différentes méthodes pour la purification de la protéine Alp7A, y compris la séparation par chromatographie, et le fractionnement au sulfate d'ammonium. J'ai discuté des divers défis que nous avons rencontrés dans ces expériences, tels que la contamination, l'instabilité de la protéine Alp7A et l'épaisseur bactérienne. Enfin, j'ai proposé des approches expérimentales alternatives qui aideraient à étudier le mécanisme de ségrégation des plasmides par Alp7ARC. / Project I: Endospores represent a dormant state of bacteria that allows them to withstand extreme conditions and persist for years. Endospore formation has shaped evolution, whereby it exclusively occurs in Firmicutes. Several studies have reported endospore formation in species outside of Firmicutes, particularly in two species of Proteobacteria, Rhodobacter johrii and Serratia marcescens, and one species of Actinobacteria, Mycobacterium marinum. Identifying endospores outside of Firmicutes would affect the shape of the tree of life and aid in our fight against human pathogens. Therefore, we aimed to investigate endosporulation in these three species using advanced imaging and analytical approaches, including correlative light and electron microscopy (CLEM), cryo-electron tomography (cryo-ET), and lipidomics. We used the well-characterized sporulating bacterium Bacillus subtilis as a positive control of sporulation. Examination of R. johrii, S. marcescens, and M. marinum using CLEM and cryo-ET showed that phase-bright objects did not resemble any stages of endosporulation. Cryo-tomograms revealed that the phase-bright objects in S. marcescens were aggregated cellular debris of dead cells, whereas they displayed granular structures typical of bacterial cells in R. johrii and M. marinum. Lipidomic analysis in R. johrii identified the granular structures as potential storage granules enriched with triacyl-glycerides (TAGs). We speculate that TAGs may provide an energy source to withstand the nutrient depletion. Additional biochemical and bioinformatics approaches supported our conclusions that R. johrii, S. marcescens, and M. marinum are non-sporulating bacteria. Project II: Plasmids play a vital role in the spread of resistance genes within and across bacterial species. Therefore, it is essential to understand the bacterial systems involved in the transfer and maintenance of plasmids to better aid in our fight against the spread of antibiotic resistance. In this doctorate, we aimed to characterize the alp7ARC operon, employing the bacterial actin homolog Alp7A to segregate the tetracycline resistance-encoding plasmid pLS20 in B. subtilis. The stability of the plasmid was shown to be dependent on the alp7ARC operon, indicating an essential role in plasmid segregation. Preliminary results on Alp7A showed that it assembles into a novel tubular nanostructure rather than filaments, suggesting a novel mechanism for DNA segregation by Alp7A. We further studied the structure of Alp7A in vivo using combination of approaches, including molecular biology, cryo-ET, and fLM. We also used CLEM to localize Alp7A in whole cells to a macromolecular resolution. Besides, we investigated the structure and function of Alp7A in vitro by transfecting E. coli with various plasmid constructs and purification by several methods, including affinity chromatography and ammonium sulfate precipitation. I discussed the diverse challenges we encountered in these experiments, such as bacterial thickness, contamination, and Alp7A protein instability. Finally, I proposed alternative experimental approaches for investigating the mechanism of plasmid segregation by Alp7ARC.

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Over the course of the last decades, the continuous exposure of bacteria to antibiotics—at least in parts due to misprescription, misuse, and misdosing—has led to the widespread development of antimicrobial resistances. This development poses a threat to the available medication in losing their effectiveness in treating bacterial infections. On the drug development side, only minor advances have been made to bring forward novel therapeutics. In addition to increasing the efforts and approaches of tapping the natural sources of new antibiotics, synthetic approaches to developing novel antimicrobials are being pursued. In this study, BDTL049 was rationally designed using knowledge based on the properties of natural antibiotics. BDTL049 is a carbosilane dendritic system with bow-tie type topology, which has antimicrobial activity at concentrations comparable to clinically established natural antibiotics. In this report, we describe its mechanism of action on the Gram-positive model organism Bacillus subtilis. Exposure to BDTL049 resulted in a complex transcriptional response, which pointed toward disturbance of the cell envelope homeostasis accompanied by disruption of other central cellular processes of bacterial metabolism as the primary targets of BDTL049 treatment. By applying a combination of whole-cell biosensors, molecular staining, and voltage sensitive dyes, we demonstrate that the mode of action of BDTL049 comprises membrane depolarization concomitant with pore formation. As a result, this new molecule kills Gram-positive bacteria within minutes. Since BDTL049 attacks bacterial cells at different targets simultaneously, this might decrease the chances for the development of bacterial resistances, thereby making it a promising candidate for a future antimicrobial agent.

Une attention croissante est portée aux cascades multi enzymatiques pour l’élaboration de procédés de synthèse plus efficaces. Cependant, le contrôle de l’expression hétérologue de plusieurs gènes dans un même hôte s’avère difficile et peut mener à un déséquilibre du flux réactionnel. Pour exploiter au mieux les avantages d’une cascade in vivo, il est nécessaire d’ajuster les activités de chaque étape, et de construire des catalyseurs cellulaires capables de programmer la stœchiométrie des enzymes. Nous avons développé dans ce projet une approche originale pour moduler le ratio de deux enzymes in cellulo en jouant sur le nombre de copies de plasmides par cellule (PCN). Nous avons choisi comme modèle un système autosuffisant associant une Alcool Déshydrogénase (ADH) et une Baeyer-Villiger MonoOxygenase (BVMO), NADP(H)-dépendantes. Plusieurs plasmides recombinants portant les deux gènes ont été conçus et combinés dans E. coli. Les souches de co-expression construites ont été comparées en termes de PCN, de production d’enzymes et d’activité. Nous avons montré l’importance d’un choix judicieux de la combinaison de plasmides ainsi que l’existence d’une corrélation entre ratios d’enzymes et activité. Nos biocatalyseurs s’étendent sur une gamme allant du système inactif à un système affichant un TTN d’environ 6000. Ce système a permis la synthèse de lactones d’intérêt industriel, la dihydrocoumarine et la caprolactone, à partir d’indanol et de cyclohexanol. Enfin, sur ce modèle de combinaison de plasmides, trois nouveaux biocatalyseurs cellulaires, associant l’ADH à diverses BVMOs, ont été créés afin d’élargir la gamme d’esters et de lactones synthétisables à partir d’alcools. / Growing attention is paid to multienzymatic cascades to develop more efficient synthetic processes. However, in in cellulo process, the control of the simultaneous heterologous expression of several genes in the same host is often difficult and can lead to imbalances in the reaction flow. To exploit the benefits of cascades, activities of each step have to be adjusted and thus, cellular biocatalysts capable of programming enzymes stoichiometry have to be constructed. In this work, to modulate the stoichiometry of two enzymes in vivo, we developed an original approach based on the copy number per cell of plasmids (PCN) used as vectors. The PCN is regulated in bacteria by three main mechanisms leading, according to the replicon, to low, medium or high PCN. As proof of concept, we chose a self-sufficient system combining an Alcohol Dehydrogenase (ADH) and a Baeyer-Villiger MonoOxygenase (BVMO), both NADP(H)-dependent. Several recombinant plasmids harboring both genes were designed and combined in E. coli. Coexpression strains constructed were compared in terms of PCN, enzyme production and activity. We showed the importance of a judicious choice of plasmids combination and the existence of a correlation between enzymes ratios and activity. Our biocatalysts ranged from an inactive system to a system with a TTN of about 6000. This system allowed the synthesis of lactones of industrial interest, dihydrocoumarin and caprolactone, via double oxidation of indanol and cyclohexanol. Finally, based on this plasmids combination model, three new cellular biocatalysts combining ADH with various BVMOs were designed to broaden the range of esters and lactones synthesizable from alcohols.

Τρεις ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι τυποποίησης, μια βιοχημική (API20NE), μια φαινοτυπική (SDS-PAGE) και μια μοριακή (RAPD) χρησιμοποιήθηκαν για την ταυτοποίηση και ταξινόμηση 160 περιβαλλοντικών ψευδομονάδων που απομονώθηκαν από το υδάτινο περιβάλλον της Νοτιοδυτικής Ελλάδας και συγκεκριμένα από εμφιαλωμένα νερά (46%), νερά δικτύου ύδρευσης (16%), κολυμβητικών δεξαμενών (9%) και θαλασσών (29%). Οι ψευδομονάδες ταυτοποιήθηκαν με βάση το βιοχημικό τους αποτύπωμα δια μέσου του συστήματος ΑΡΙ20ΝΕ, και στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε ηλεκτροφόρηση των ολικών πρωτεϊνών τους (SDS-PAGE) και σε ανάλυση του γενετικού τους υλικού με τη μέθοδο RAPD (Random Amplified Polymorphic DNAs) με χρήση δύο διαφορετικών δεκαμερών εκκινητών (primers). Το σύστημα API20NE ταυτοποίησε το 88% των στελεχών διακρίνοντας 14 ομάδες-είδη, ενώ η SDS-PAGE ταξινόμησε το 98.1% σε 20 ομάδες και η RAPD το 94% των στελεχών σε 22 και 34 ομάδες, με εκκινητή τον OPA-13 και τον OPD-13 αντίστοιχα. Η ταξινόμηση προέκυψε με εφαρμογή της ανάλυσης κατά συστάδες (cluster analysis) των αποτυπωμάτων (πρωτεϊνικών και γενετικών) που παρήγαγαν τα στελέχη. Τα 20 στελέχη που δεν ταυτοποιήθηκαν σε επίπεδο είδους με το API20NE, ταξινομήθηκαν με την SDS-PAGE σε ποσοστό 100%, ενώ με την RAPD σε ποσοστό 90%. Οι τρεις μέθοδοι συγκρίθηκαν ως προς την επαναληψιμότητα (reproducibility), την ικανότητα τυποποίησης (typeability) και τη διακριτική ικανότητα (discriminatory power). Την μεγαλύτερη επαναληψιμότητα έδωσαν το API20NE και η RAPD με τον εκκινητή OPA-13, την μεγαλύτερη ικανότητα τυποποίησης η SDS-PAGE, ενώ τη μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα έδωσε η RAPD με τον εκκινητή OPD-13. Η πλέον σωστή ταξινόμηση, όπως προέκυψε από τη διακριτή ανάλυση, επιτεύχθη με τη μέθοδο SDS-PAGE. Η παρούσα εργασία αποδεικνύει ότι τα βιοχημικά συστήματα ταυτοποίησης (όπως το API20NE) μπορούν να χρησιμοποιηθούν με αξιοπιστία μόνο για αδρή αναγνώριση των περιβαλλοντικών ψευδομονάδων. Πληροφορίες σε βάθος για την ταυτότητα και τη φύση τους μπορούν να εξαχθούν με τη περαιτέρω εφαρμογή ηλεκτροφορητικών και μοριακών μεθόδων. Δεδομένης της ευρείας διασποράς, της ετερογένειας και της, έστω και δυνητικής, παθογόνου δράσης των ψευδομονάδων, είναι σημαντικό, από πλευράς δημόσιας υγείας, ο προσδιορισμός της ταυτότητάς τους να γίνεται με συνδυασμένη εφαρμογή βιοχημικών, ηλεκτροφορητικών και μοριακών μεθόδων ώστε να καθίσταται δυνατή η αναγνώριση στελεχών που μπορούν να αποτελέσουν αιτιολογικούς παράγοντες ασθενειών, ιδιαίτερα σε ομάδες υψηλού κινδύνου. / Three broadly used typing techniques, one biochemical (API20NE), one phenotypic (SDS-PAGE) and one molecular (RAPD), were employed for the identification and taxonomy of 160 environmental pseudomonas isolated from the aquatic environment in Southwestern Greece. In particular, the isolates were obtained from bottled waters (46%), potable waters (16%), waters from swimming pools (9%) and seawaters (29%). The isolates were identified by the system API20NE and then subjected to whole-cell protein electrophoresis (SDS-PAGE) and Random Amplified Polymorphic DNAs (RAPD) using two 10-mer primers. The API20NE system identified 88% of the whole bacterial population and classified them in 14 species, while SDS-PAGE classified 98.1% of the isolates in 20 groups and RAPD classified 94% of the strains in 22 groups using the primer OPA-13 and 34 groups using the primer OPD-13. The classification was achieved by applying cluster analysis in the protein or RAPD fingerprints of the isolates. Twenty isolates that could not be identified by the API20NE system, at least to the species level, were classified by the SDS-PAGE and the RAPD in a percentage of 100% and 90%, respectively. The reproducibility, typeability and discriminatory power of the three methods were compared to evaluate their application. The API20NE and the RAPD assay with primer OPA-13 showed better reproducibility in comparison with the other methods; the higher typeability was achieved by the SDS-PAGE assay while the higher discriminatory power was that obtained by the RAPD method with the primer OPD-13. The SDS-PAGE gave the higher percentage of “correctly classified” isolates, as it was assessed by discriminant analysis. This study shows that the rapid identification systems, such as the API20NE, may be reliable only for a rough characterization of environmental Pseudomonas. In order to acquire further information about their identities, other phenotypic and molecular techniques have to be applied. Given the ubiquity, heterogeneity and pathogenicity, either established or potential, of the environmental pseudomonas it is important, from a public health point of view, to monitor the identities of environmental Pseudomonas isolates using the combination of specific methods, so as to be possible for strains, which can serve as causative agents of diseases, especially in high risk population, to be recognizable.

Extracellular neuroelectronic interfacing has important applications in the fields of neural prosthetics, biological computation and whole-cell biosensing for drug screening and toxin detection. While the field of neuroelectronic interfacing holds great promise, the recording of high-fidelity signals from extracellular devices has long suffered from the problem of low signal-to-noise ratios and changes in signal shapes due to the presence of highly dispersive dielectric medium in the neuron-microelectrode cleft. This has made it difficult to correlate the extracellularly recorded signals with the intracellular signals recorded using conventional patch-clamp electrophysiology. For bringing about an improvement in the signalto-noise ratio of the signals recorded on the extracellular microelectrodes and to explore strategies for engineering the neuron-electrode interface there exists a need to model, simulate and characterize the cell-sensor interface to better understand the mechanism of signal transduction across the interface. Efforts to date for modeling the neuron-electrode interface have primarily focused on the use of point or area contact linear equivalent circuit models for a description of the interface with an assumption of passive linearity for the dynamics of the interfacial medium in the cell-electrode cleft. In this dissertation, results are presented from a nonlinear dynamic characterization of the neuroelectronic junction based on Volterra-Wiener modeling which showed that the process of signal transduction at the interface may have nonlinear contributions from the interfacial medium. An optimization based study of linear equivalent circuit models for representing signals recorded at the neuron-electrode interface subsequently iv proved conclusively that the process of signal transduction across the interface is indeed nonlinear. Following this a theoretical framework for the extraction of the complex nonlinear material parameters of the interfacial medium like the dielectric permittivity, conductivity and diffusivity tensors based on dynamic nonlinear Volterra-Wiener modeling was developed. Within this framework, the use of Gaussian bandlimited white noise for nonlinear impedance spectroscopy was shown to offer considerable advantages over the use of sinusoidal inputs for nonlinear harmonic analysis currently employed in impedance characterization of nonlinear electrochemical systems. Signal transduction at the neuron-microelectrode interface is mediated by the interfacial medium confined to a thin cleft with thickness on the scale of 20-110 nm giving rise to Knudsen numbers (ratio of mean free path to characteristic system length) in the range of 0.015 and 0.003 for ionic electrodiffusion. At these Knudsen numbers, the continuum assumptions made in the use of Poisson-Nernst-Planck system of equations for modeling ionic electrodiffusion are not valid. Therefore, a lattice Boltzmann method (LBM) based multiphysics solver suitable for modeling ionic electrodiffusion at the mesoscale neuron-microelectrode interface was developed. Additionally, a molecular speed dependent relaxation time was proposed for use in the lattice Boltzmann equation. Such a relaxation time holds promise for enhancing the numerical stability of lattice Boltzmann algorithms as it helped recover a physically correct description of microscopic phenomena related to particle collisions governed by their local density on the lattice. Next, using this multiphysics solver simulations were carried out for the charge relaxation dynamics of an electrolytic nanocapacitor with the intention of ultimately employing it for a simulation of the capacitive coupling between the neuron and the v planar microelectrode on a microelectrode array (MEA). Simulations of the charge relaxation dynamics for a step potential applied at t = 0 to the capacitor electrodes were carried out for varying conditions of electric double layer (EDL) overlap, solvent viscosity, electrode spacing and ratio of cation to anion diffusivity. For a large EDL overlap, an anomalous plasma-like collective behavior of oscillating ions at a frequency much lower than the plasma frequency of the electrolyte was observed and as such it appears to be purely an effect of nanoscale confinement. Results from these simulations are then discussed in the context of the dynamics of the interfacial medium in the neuron-microelectrode cleft. In conclusion, a synergistic approach to engineering the neuron-microelectrode interface is outlined through a use of the nonlinear dynamic modeling, simulation and characterization tools developed as part of this dissertation research.