Der parasitische Nematode Acanthocheilonema viteae kann die Immunantwort seines Wirtes abschwächen, indem er in diesem die Produktion immun-regulatorischer Cytokine Interleukin-10 (IL10) induziert. In dieser Arbeit entwickelte ich spezifische mathematische Modelle um die Mechanismen der IL10 Regulation zu erforschen. Die Annahmen des Modells waren: 1) Av17, ein immun-modulatorisches Protein von A. viteae, zur Phosphorylierung der MAP-Kinasen ERK und p38 führt; 2) Av17 induzierte IL10 ist ERK und p38 abhängig. Beide Annahmen waren in Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zur Aktivierung von ERK and p38. Weiter habe ich mehrere Signalregulationsmodelle getestet und eine Methode entwickelt, die theoretische und experimentelle Ansätze kombiniert. Von hier aus konnte ich ein Modell auswählen, dass unabhängige experimentelle Daten korrekt vorhersagt. Modelle selection identifizierten die Duale-Spezifizität Kinasen (DUSP) als integrale Rückkopplungsregulatoren dieses Systems. Eine Sensitivitätsanalyse zeigte, dass p38 durch DUSP, ERK beeinflusst, das Gegenteil aber nicht. Dieser Befund legt eine autokrine Rückkopplung der Signalkomponenten nahe, die auch experimentell bestätigt werden konnte. Allgemein müssen die immunoregulatorischen Mechanismen im Wirt robust gegen Störungen, z.B. durch Parasiten wie A. viteae, sein. Dies veranlasste mich mit Hilfe eines Monte-Carlo Ansatzes die Robustheit der ausgewählten Modelle gegenüber Variationen zu testen. Ich verglich das zuvor ausgewählte Modell und ein Modell mit transienter Rückkopplung. Das Resultat ließ darauf schließen, dass in diesem Fall die integrale Rückkopplung robuster gegenüber Variationen ist als eine transiente Rückkopplung. Insgesamt verbindet der systembiologische Ansatz meiner Arbeit erfolgreich theoretisches Wissen mit experimenteller Expertise um einen Mechanismus vorzuschlagen, der beschreibt, wie der Parasit A. viteae mit Makrophagen seines Wirtes interagiert, um IL10 Exprimierung zu induzieren. / The parasitic nematode Acanthocheilonema viteae can downregulate the immune response of its host by inducing immunoregulatory cytokines such as interleukin-10 (IL10). In this thesis, I developed specific mathematical models to investigate IL10 regulation mechanisms. These models assumed that Av17, an immunomodulatory protein secreted by A.viteae, leads to the Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK) ERK and p38 phosphorylation and that IL10 transient expression was dependent on the activation of both MAP kinases. These assumptions were validated with experimental data on ERK and p38 activation. Further, I tested alternative ways of signalling regulation and developed a method of model selection that combines the theoretical predictions with experimental evidences. Model selection identified dual specificity phosphatase (DUSP) as integral feedback regulators in this system. Dedicated experiments showed that DUSP1 was responsible for regulation of ERK and p38 phosphorylation and controlled IL10 expression in this system. Furthermore, a sensitivity analysis suggested that p38 affects ERK via DUSP, but ERK does not affect p38, revealing a negative feedback between the components. This model prediction was validated experimentally. Generally, host immune regulation mechanisms should be robust against variations, e.g., by parasites like A. viteae. This prompted me to test the robustness of the selected model against noise, by comparing it with a transient feedback model. The results suggest that the integral feedback model is more robust against noise than the transient feedback model, in the case under study. In summary, based on a systems biology approach that successfully combines theoretical and experimental expertise, this thesis proposes a mechanism that describes how the parasite A. viteae interacts with its host macrophages to induce IL10 expression.

Das Cherry leaf roll virus (CLRV) ist ein weltweit verbreitetes Pflanzenvirus, das eine Vielzahl an Laubgehölzen und Stauden infiziert. In der vorliegenden Arbeit wurden phylogenetische und serologische Analysen der Populationsstruktur des CLRV durchgeführt und ihre Korrelation mit epidemiologischen Faktoren, wie der geographischen Verbreitung und der Wirtspflanzenart, untersucht. Der Nachweis von CLRV erfolgte mittels Immunocapture - Reverse Transkription -Polymerase Kettenreaktion (IC-RT-PCR). Dabei konnte CLRV in 20 verschiedenen Gehölzarten an 33 Standorten in Deutschland nachgewiesen werden. Außerdem wurden Isolate aus 6 anderen Ländern, die von Kollegen zur Verfügung gestellt worden waren, in die Untersuchungen einbezogen. Der Vergleich der Symptomausprägungen auf verschiedenen Testpflanzen zeigte keine auffälligen biologischen Unterschiede bei den gewonnenen CLRV-Isolaten. Untersuchungen zur RNA-Populationsstruktur basierend auf einem 380 bp langen Teilbereichs der 3’-nicht-translatierten Region (3’UTR) der genomischen RNA1 und RNA2 zeigte eine homogene Basenzusammensetzung innerhalb der Virusisolate. Hingegen traten zwischen den 73 untersuchten CLRV-Isolaten Sequenzunterschiede bis zu 15,5 % auf. Die phylogenetische Analyse der 3’UTR deckte eine Gruppierung der Virusisolate nach den natürlichen Wirtspflanzenarten auf, die durch statistischen Analysen mittels GST-Koeffizient bzw. Mantel-Test verifiziert werden konnten. Der Vergleich der phylogenetischen mit der serologischen Gruppierung, die unter der Verwendung monoklonaler Antikörper analysiert wurde, zeigte für 24 CLRV-Isolate eine hohe Korrelation in Bezug auf die Gruppenzuordnung. Auch beim phylogenetischen Vergleich der Hüllprotein-Sequenzen für 9 CLRV-Isolate ergaben sich die gleichen Gruppen. Innerhalb der 380 bp langen 3’UTR wurde mittels Computer-Modellierung der Sekundärstruktur unter Verwendung von 67 CLRV-Sequenzen zwei konservierte Stemloops identifiziert, die die Ergebnisse anderer Autoren bestätigen und die funktionelle Bedeutung der 3’UTR belegt. / Cherry leaf roll virus (CLRV) is worldwide distributed and is infecting a variety of deciduous trees and shrubs. In this study phylogenetic and serological analyses of the population diversity of CLRV and the correlation with the epidemiological factors geographical distribution and host plant species, have been investigated. During a survey in Germany plants were tested by IC-RT-PCR and virus isolates recovered from a range of woody plants from different geographical regions. CLRV was detected in 20 different plant species from 33 locations in Germany. Also isolates from 6 other countries received from colleagues were included in the study. Comparison of symptom expression on different indicator plants did not show obvious biological differences between the recovered CLRV isolates. Investigations of the RNA population structure based on a 380 bp long fragment of the 3''-non-translated region (3''UTR) of genomic RNA1 and RNA2 revealed a homogeneous base composition for single isolates. However, between 73 CLRV isolates 3’UTR sequences showed up to 15.5 % divergence. Phylogenetic analysis of the 3''UTR uncovered a grouping of the virus isolates according to the natural host plant species, which was verified by statistic analyses using GST coefficient and Mantel test. The comparison of the phylogenetic grouping with the serological grouping of 24 selected CLRV isolates, which was analyzed using a set of seven monoclonal antibodies, showed a high correlation regarding the group arrangement. The phylogenetic comparison of the coat protein sequences for 9 CLRV isolates also revealed the same group arrangement. Secondary structure analysis by computer modelling of the consensus sequence of the 380 bp long 3''UTR using 67 CLRV sequences identified two conserved stem loop regions supporting the results of other authors and indicating the functional significance of the 3''UTR.

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“Neglected Rickettsiaceae” (i.e. those harboured by non-hematophagous eukaryotic hosts) display greater phylogenetic variability and more widespread dispersal than pathogenic ones; yet, the knowledge about their actual host range and host shift mechanism is scarce. The present work reports the characterization following the full-cycle rRNA approach (SSU rRNA sequence, specific in situ hybridization, and ultrastructure) of a novel rickettsial bacterium, herewith proposed as 'Candidatus Megaira polyxenophila' gen. nov., sp. nov. We found it in association with four different free-living ciliates (Diophrys oligothrix, Euplotes octocarinatus, Paramecium caudatum, and Spirostomum sp., all belonging to Alveolata, Ciliophora); furthermore it was recently observed as intracellular occurring in Carteria cerasiformis and Pleodorina japonica (Chlorophyceae, Chlorophyta). Phylogenetic analyses demonstrated the belonging of the candidate new genus to the family Rickettsiaceae (Alphaproteobacteria, Rickettsiales) as a sister group of the genus Rickettsia. In situ observations revealed the ability of the candidate new species to colonize either nuclear or cytoplasmic compartments, depending on the host organism. The presence of the same bacterial species within different, evolutionary distant, hosts indicates that 'Candidatus Megaira polyxenophila' recently underwent several distinct host shifts, thus suggesting the existence of horizontal transmission pathways. We consider these findings as indicative of an unexpected spread of rickettsial infections in aquatic communities, possibly by means of trophic interactions, and hence propose a new interpretation of the origin and phylogenetic diversification of rickettsial bacteria.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., DFiss., 2009

“Neglected Rickettsiaceae” (i.e. those harboured by non-hematophagous eukaryotic hosts) display greater phylogenetic variability and more widespread dispersal than pathogenic ones; yet, the knowledge about their actual host range and host shift mechanism is scarce. The present work reports the characterization following the full-cycle rRNA approach (SSU rRNA sequence, specific in situ hybridization, and ultrastructure) of a novel rickettsial bacterium, herewith proposed as 'Candidatus Megaira polyxenophila' gen. nov., sp. nov. We found it in association with four different free-living ciliates (Diophrys oligothrix, Euplotes octocarinatus, Paramecium caudatum, and Spirostomum sp., all belonging to Alveolata, Ciliophora); furthermore it was recently observed as intracellular occurring in Carteria cerasiformis and Pleodorina japonica (Chlorophyceae, Chlorophyta). Phylogenetic analyses demonstrated the belonging of the candidate new genus to the family Rickettsiaceae (Alphaproteobacteria, Rickettsiales) as a sister group of the genus Rickettsia. In situ observations revealed the ability of the candidate new species to colonize either nuclear or cytoplasmic compartments, depending on the host organism. The presence of the same bacterial species within different, evolutionary distant, hosts indicates that 'Candidatus Megaira polyxenophila' recently underwent several distinct host shifts, thus suggesting the existence of horizontal transmission pathways. We consider these findings as indicative of an unexpected spread of rickettsial infections in aquatic communities, possibly by means of trophic interactions, and hence propose a new interpretation of the origin and phylogenetic diversification of rickettsial bacteria.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollten die Moeglichkeiten einer kationisch initiierten Polymerisation im Zeolithkanal ueberprueft werden.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie im Ultrahochvakuum (UHV) und an ambienten Bedingungen. Im Zentrum dieser Arbeit stehen Untersuchun-gen an selbstassemblierten Monolagen von Trimesinsäure. Eine vorgeschlagene Gast-Wirt-Struktur aus Trimesinsäure wurde erzeugt und mit submolekularer Auf-lösung abgebildet. Ferner ist es gelungen gezielt Gäste in die Wirtstruktur einzu-lagern und zu manipulieren. Als Gäste konnten, neben Trimesinsäure selbst, Coronen, Fullerene und Gold-Cluster gezeigt werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zur physikalisch-chemischen und strukturellen Charakterisierung von neuartigen supramolekularen Kristalleinschlussverbindungen am Beispiel der Clathrate der Wirtverbindung 2,2’-bis(9-hydroxy-9-fluorenyl)biphenyl mit Aceton (polar) sowie Chloroform (unpolar). Durch die Kombination von Röntgenstrukturanalysen mit systematischen Messungen thermodynamischer Größen wie Löslichkeit, Einschluss-, Zersetzungs-, Lösungs- und Kristallisationsenthalpien konnten neue Erkenntnisse bezüglich der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie zur Rolle der Wirt-Gast Wechselwirkungen in den existierenden Einschlussverbindungen abgeleitet werden. Die Einschlussbildung bzw. Kristallisation verläuft für alle untersuchten Clathratphasen exotherm. Dies bedeutet, dass die Einschlussverbindungen gegenüber dem reinem Wirt energetisch stark begünstigt sind. Der bestimmende Beitrag hierfür resultiert aus der Bildung eines optimal gepackten Kristallgitters, während spezifische Wirt-Gast Wechselwirkungen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Das Zersetzungsverhalten der verschiedenen Clathratphasen kann widerspruchsfrei aus der Packungsstruktur der Kristalle erklärt werden.

Hyperbranched poly(ethylene imine) with Mw 5,000 and 25,000 Da and different degrees of substitution with maltose (PEI-Mal) was firstly described by Appelhans et al. Its biocompatibility and the potential to complex anionic molecules was demonstrated previously. In this study, the characterisation of host-guest interactions of PEI-Mal with various anionic water-soluble guest molecules with aromatic moieties in the structure (adenosine triphosphate, rose bengal, and acid red 26) in solution was provided. Also, a multicomponent drug@PEI-Mal@hydrogel system was achieved.