For life to thrive, its fundamental units, i.e., the cells, need to reliably and robustly fulfill their function. However, cellular operability is challenged by the appearance of biological noise in the concentration of proteins and other cell components. This noise arises due to spontaneous fluctuations that are inherent to all chemical reactions. For small (mesoscopic) systems, like cells, these fluctuations can be significant and disturb cellular functions. Cells evolved mechanisms to control and reduce their internal noise. One way to reduce noise in eukaryotic cells is to exploit their internal structure and restrict noise to a particular organelle, thus reducing the noise in the rest of the cell. In recent years it was shown that many cell organelles could be formed by phase separation without the need for a membrane. Thus, it was suggested that phase separation could reduce concentration noise in cells. However, until now, any systematic investigation linking essential aspects of phase separation and concentration noise in cells has been lacking. This motivates the study of fluctuations in mesoscopic phase-separating systems. This thesis develops a generic theoretical model based on a thermodynamic description of phase separation. We consider a binary mixture that can phase separate into two phases - a liquid droplet surrounded by a phase, which we refer to as continuous phase. We merge this description with methods of stochastic chemical reactions in order to account for the active turnover of phase-separating material and, thus, for the non-equilibrium nature of living cells. The resulting framework allows us to study fluctuations due to chemical turnover and phase separation in and out of equilibrium of phase separation. We use this framework to investigate how a phase-separating system can reduce concentration noise for different reaction networks. We find that phase separation can reduce concentration noise in active mesoscopic systems like cells in both phases. When turnover dynamics are slow, concentration noise in the dilute phase can be lowered to the level of Poissonian fluctuations. For the dense phase, we find that noise can fall below the Poissonian threshold. When turnover rates become faster such that the system deviates from the equilibrium configuration, the noise reduction by phase separation becomes less efficient. We test our model on experimental data of an engineered protein expressed in living cells. We find a good agreement between the data and theory and demonstrate that phase separation is a viable mechanism for noise reduction in living cells. Thus, phase separation might play an essential part in ensuring the reliable control of cellular functions.

The bifunctional formalism presents an alternative how to obtain the functional value from its functional derivative by exploiting homogeneous density scaling. In the bifunctional formalism the density dependence of the functional derivative is suppressed. Consequently, those derivatives have to be treated as formal functional derivatives. For a pointwise correspondence between the true and the formal functional derivative, the bifunctional expression yields the same value as the density functional. Within the bifunctional formalismthe functional value can directly be obtained fromits derivative (while the functional itself remains unknown). Since functional derivatives are up to a constant uniquely defined, this approach allows for a pointwise comparison between approximate potentials and reference potentials. This aspect is especially important in the field of orbital-free density functional theory, where the burden is to approximate the kinetic energy. Since in the bifunctional approach the potential is approximated directly, full control is given over the latter, and consequently over the final electron densities obtained from variational procedure. Besides the bifunctional formalismitself another concept is introduced, dividing the total non-interacting kinetic energy into a known functional part and a remainder, called Pauli kinetic energy. Only the remainder requires further approximations. For practical purposes sufficiently accurate Pauli potentials for application on atoms, molecular and solid-state systems are presented.

We study thin films with residual strain by analyzing the limit of non-Euclidean elastic energy functionals as the material’s thickness tends to 0. We begin by extending prior results (Bhattacharya et al. in Arch Ration Mech Anal 228: 143–181, 2016); (Agostiniani et al. in ESAIM Control Opt Calculus Var 25: 24, 2019); (Lewicka and Lucic in Commun Pure Appl Math 73: 1880–1932, 2018); (Schmidt in J de Mathématiques Pures et Appliquées 88: 107–122, 2007) , to a wider class of films, whose prestrain depends on both the midplate and the transversal variables. The ansatz for our convergence result uses a specific type of wrinkling, which is built on exotic solutions to the Monge-Ampere equation, constructed via convex integration (Lewicka and Pakzad in Anal PDE 10: 695–727, 2017). We show that the expression for our limit has a natural interpretation in terms of the orthogonal projection of the residual strain onto a suitable subspace. We also show that some type of wrinkling phenomenon is necessary to match the lower bound of the limit in certain circumstances. These results all assume a prestrain of the same order as the thickness; we also discuss why it is natural to focus on that regime by considering what can happen when the prestrain is larger.

In this paper, we present the design guidelines for a tunable optical isolator in an SOI-based ring resonator with two small time-modulated regions. By considering a physical model, the proper geometrical and modulation parameters are designed, based on a standard CMOS foundry process. The effect of the variation of the key parameters on the performance of the isolator is explained by two counter-acting mechanisms, namely the separation between the resonance frequencies of counter-rotating modes and energy transfer to the side harmonic. We show that there is a trade-off between these parameters to obtain maximum isolation. Consequently, by applying the quadrature phase difference one can obtain the maximum separation between the resonance frequencies and hence the minimum insertion loss, while the maximum isolation is obtained at the modulation phase difference of −0.78π , which leads to a higher insertion loss. Robustness of the design is investigated through a sensitivity analysis for the fabrication variations in the distance and width of the modulated regions. We demonstrate that there is a trade-off between isolation and insertion loss, and by varying the modulation parameters, we can achieve isolation of 18 (5) dB with 7 (1.8) dB insertion loss.

In this recent study,1 the authors analyzed the metabolic gene essentiality scores from genome-wide loss of function CRISPR screens in 769 human cancer cell lines and noticed that TCA cycle-associated genes clustered in two separate groups: one forming the traditional TCA cycle and another related to a non-canonical TCA cycle module. They monitored both modules with elegant tracing studies using [U-13C]glucose which generates citrate labeled with two 13C atoms (M+2).

Next-generation sequencing (NGS) ermöglicht das molekulare Profiling von Zellen mit beispiellos hohem Durchsatz. Allerdings ist der Fokus oftmals auf proteinkodierende Proteine beschränkt, wodurch die vollständige Diversität des Transkriptoms übersehen wird. Nicht-kodierende RNA-Moleküle variieren stark in ihrer Biogenese, Struktur und Funktion, wodurch ihre unverzerrte Inklusion in die Analyse erschwert wird. Diese Promotion fokussiert sich auf das Verständnis nicht-kodierender RNA und navigiert durch drei aufeinander aufbauende Säulen in der Analyse, um Beobachtungen in Wissen zu verwandeln: Generierung von Daten, Quantifizierung und Interpretation. Diese drei Säulen werden in den drei Kapiteln der Dissertation aus der bioinformatischen Perspektive adressiert, indem Schlüsselherausforderungen beschrieben und neue Lösungen vorgestellt werden, um die Analyse des gesamten Transkriptoms mit NGS-Techniken zu verbessern. Zunächst wird ein vollautomatischer Algorithmus vorgestellt, welcher die verschiedenen Quellen von aus der Vorberei- tung von Bibliotheken resultierenden Artefakten mittels unüberwachtes Lernen erkennt, was anschließend zur Optimierung der Protokolle zur Vorbereitung von total-RNA-seq-Bibliotheken genutzt werden kann. Zudem werden die primären Herausforderungen der Quantifizierung von total-RNA-seq behandelt: die Prozessierung von Reads, die mehreren, möglicherweise überlappenden Loci zugeordnet werden können, wie auch die Tatsache, dass manche Loci mehrfach im Genom vorkommen und ein Read zu all diesen Loci passen kann. Diese beiden Fälle können auch gleichzeitig vorkommen, was die Analyse von nicht-kodierender RNA mit üblichen Methoden erschwert. Um diese Problematik anzugehen, wird eine neue Software namens Multi-Graph count (MGcount) vorgestellt. Diese ordnet hierarchisch Reads Transkripten zu, um unter anderem eine Diskrepanz zwischen der Loci-Länge von small und long RNA zu berücksichtigen. Wenn Reads konsistent mehrfach alignieren, fasst MGcount Loci in Communitys zusammen. Es wird gezeigt, dass die Beurteilung der Expression auf der Community-Ebene eine genauere Quantifizierung von biologisch bedeutsamen RNA-Einheiten (Einfachtranskript oder Locusfamilien) ermöglicht. Schließlich wird MGcount angewandt, um nicht-kodierende RNA während der Differenzierung von induzierten pluripotenten Stammzellen in die Keimblätter Mesoderm, Endoderm und Ektoderm zu analysieren. In dieser Dissertation wird eine Multi-Omics-Analyse erfolgreich angewandt, um sowohl die Expressionsverläufe von verschiedenen RNA-Biotypen während der Determination zu charakterisieren als auch einen Zusammenhang bezüglich Chromatin-Remodellierung (“chromatin remodeling“) und DNA-Methylierung an den jeweiligen Loci herzustellen. Schlussendlich dient diese Dissertation als Ratgeber für alle Forschenden, die neue Einsichten in das nicht-kodierende Transkriptom gewinnen wollen. / Next-generation sequencing (NGS) techniques enable the molecular profiling of cells with unprecedented high throughput. Yet, in transcriptome analysis, the focus is often restricted to protein-coding RNA, overlooking the transcriptome in its entire diversity. Non-coding RNA molecules largely vary in biogenesis, structure and function and this challenges their unbiased inclusion into the analyses. This doctoral research places non-coding RNA understanding at the focus spot and navigates through the three workflow pillars that must align effectively to turn observations into knowledge: data generation, quantification, and interpretation. Throughout three chapters, this Thesis addresses these pillars from a Bioinformatics perspective, by outlining key challenges and introducing novel solutions to improve whole-transcriptome analysis through NGS techniques. First, we introduce a fully automatic algorithm that identifies sources of library preparation artifacts in an unsupervised manner and we demonstrate its utility within the development and optimization of total-RNA-seq library preparation protocols. Secondly, we address a major challenge in total-RNA-seq quantification; processing reads that align to multiple loci that overlap within the same genomic region or/and multiple loci that are present in high copy numbers. Such ambiguous alignments commonly arise due to the inherent characteristics of non-coding RNA. To tackle this, we introduce a novel software, named Multi-Graph count (MGcount), that hierarchically assigns reads to transcripts to account for loci length disparity between small-RNA and long-RNA and subsequently collapses loci where reads consistently multi-map into communities defined in a data-driven fashion. We show that these cohesive communities allow the quantification of biologically meaningful RNA entities (single-transcripts or locus-families) and estimate their abundance more accurately. Finally, we apply the developed method to investigate non-coding RNA in early development, specifically during the differentiation of Induced Pluripotent Stem Cells into the three germ-layer lineages, namely, mesoderm, endoderm, and ectoderm. In this study, we leverage a multi-omics analysis to characterize the expression trajectories of diverse RNA biotypes along cell-commitment and the interplay with chromatin remodeling and DNA methylation patterns at the locus surroundings. Ultimately, this work is intended to serve as a guide for all those who want to gain new insights from the non-coding transcriptome.

Atsakomybė už tarptautinės teisės nedraudžiamus veiksmus suprantama kaip valstybių pareiga kompensuoti padarytą materialią žalą, vykdant rizikingą veiklą, kurios nedraudžia tarptautinė teisė. Tarptautinės objektyviosios atsakomybės normos yra specialios, jos turi apibrėžtą veikimo sferą tokiuose tarptautinės teisės posakiuose kaip tarptautinė kosmoso teisė, tarptautinė jūrų teisė, tarptautinė atominė teisė, kuriuose tarptautinė atsakomybė, susijusi su padidinto pavojaus šaltinių veikimu, gali būti numatyta tarptautinėse sutartyse. Labiausiai reglamentuota valstybių atsakomybė už tarptautinės teisės nedraudžiamus veiksmus yra kosmoso teisėje, kur numatoma absoliuti vykdančios kosminę operaciją valstybės atsakomybė už padarytą žalą. Kitose minėtose sutartyse numatoma tik dalinė (valstybės atsakingos už žalos atlyginimo ar prevencijos mechanizmo sukūrimą ar pan.), o žalą privalo atlyginti „teršėjas“ (privatus subjektas, užsiimantis padidinto pavojaus veikla). Apskritai autorė daro išvadą, kad šioje srityje trūksta privalomų tarptautinės teisės šaltinių-ji yra nepakankamai reglamentuota. / -. / Verantwortung für die Handlung, die in der internationalen Recht nicht verboten, aber gefährlich ist, ist die staatliche Pflicht die Materialischaden bezahlen. Diese Verantwortung ist am meisten in der Kosmosrecht, wo absolute Verantwortung der Staat, die kosmische Operation verwirkliche, reglamentiert. Im allgemeinen aber Staaten anerkennen die Pflicht in der rechtliche Handlung gemachte Schaden nicht.

Die Wnt/ β-Catenin-Signaltransduktion nimmt eine exponierte Stellung in der kolorektalen Karzinogenere ein. Niclosamid ist ein Derivat der Salicylsäure, das bei Bandwurm- infektionen eingesetzt wird. Es konnte gezeigt werden, dass Niclosamid den Wnt/ β-Catenin-Signalweg moduliert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den therapeutischen Einsatz des Niclosamids beim kolorektalen Karzinom zu evaluieren. Die Zellproliferation von kolorektalen Karzinomzelllinien (humane SW480 und SW620 Zellen sowie CC531 Zellen einer Ratte) und von Rattenfibroblasten wurde nach 12 und 24 Stunden Inkubation mit Niclosamid durch lichtmikroskopische Zellzahlbestimmungen beurteilt. Die Apoptoseraten wurden mit einem Zelltod-Assay ermittelt. Eine Immunfluoreszenzfärbung gab Aufschluss über das Expressionsmuster von aktivem β-Catenin. Die Promotoraktivität des LEF/ TCF-Transkriptionsfaktors wurde nach Transfektion mit TOPflash mithilfe eines Luciferase Assays analysiert. Die Genexpression von Wnt-modulierenden Faktoren (Bcl-9 und Wif1), von Komponenten des ß-Catenin- Degradationskomplexes (Axin2 und GSK 3β), von kanonischen Zielgenen (Met, MMP7 und Cyclin D1) und von c-jun als Schlüsselprotein des nicht-kanonischen Wnt/ JNK-Signalweges wurde in der RT-PCR untersucht. Auf Proteinebene wurden zur Bestätigung zusätzlich Western Blots mit Antikörpern gegen aktives β-Catenin und c-jun durchgeführt. Die Zellproliferation kolorektaler Karzinomzelllinien wurde dosisabhängig inhibiert, und Niclosamid führte zu Apoptose. Nach Inkubation mit Niclosamid kam es nicht zur Umverteilung von aktivem β-Catenin von der nukleären in die zytosolische Fraktion. Die Wnt-Promotor-Aktivität von LEF/ TCF wurde nach 12 Stunden Inkubation mit 10 und 50 μM Niclosamid jedoch signifikant gesenkt. Kanonische Wnt-Zielgene (Met, MMP7 und Cyclin D1) sowie der Koaktivator Bcl-9 wurden auf Transkriptionsebene gehemmt, während das nicht-kanonische Schlüsselprotein c-jun aktiviert wurde. Fasst man zusammen, so führt die Inkubation mit Niclosamid zu inhibitorischen Effekten auf kolorektale Karzinomzelllinien und zu einer reduzierten kanonischen Wnt-Aktivität. Diese Effekte können durch eine gestörte Formation des Triple-Komplexes aus Bcl-9, β- Catenin und LEF/ TCF und einer Aktivierung von c-jun und damit des nicht-kanonischen Wnt/ JNK-Signalweges bedingt sein. In in vivo-Untersuchungen beabsichtigen wir, in einem Tiermodell die Daten zu verifizieren und so den Einsatz des Niclosamids als Option für Patienten mit metastasiertem kolorektalem Karzinom weiterführend zu beurteilen.

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In der vorliegenden Publikation werden die Auswirkungen des gegenwärtigen Strukturwandels in der europäischen Bauwirtschaft auf die Qualifikationsanforderungen an die Arbeitskräfte dieses Sektors untersucht. Der Autor entwickelt einen Lösungsansatz, der inhaltlich und strukturell die Defizite beruflicher Bildung auf dem Gebiet der Instandsetzung und Instandhaltung von Bauwerken ausgleicht.