Biological cell populations, such as in tissues or microbial communities, are constantly subject to different sources of noise and variability. Despite this, multicellular systems are still able to function properly because cells coordinate with each other by communication. Using biological model systems to study this multiscalar process can be challenging because of their innate complexity. In this thesis, we address this challenge by building a synthetic multicellular system using bottom-up in vitro assembly approaches. Using this platform, we aim to study the effect of cell-to-cell communication to population variability in a minimal and simplified context. To achieve this, we require a synthetic cell population with (i) quantifiable gene expression dynamics, (ii) customizable population variability, and (iii) intercellular communication. Having these characteristics will allow us to test different initial configurations of population variability and monitor population gene expression dynamics with and without cell-to-cell communication. To generate these synthetic cell populations, reconstituted cell-free expression systems (CFES) are encapsulated into monodisperse-sized liposomes using double-emulsion microfluidics. Both transcription and translation levels are simultaneously monitored and quantified to develop models of cell-free gene expression dynamics and differentiate between bulk and encapsulated formats. Population variability was then incorporated by combining different batches of cells to create distinct subpopulations or by using a two-inlet double-emulsion microfluidic device to generate single populations with a large dispersion of encapsulated DNA template. Lastly, genetic circuits based on the quorum sensing system of Vibrio fischeri are used to implement diffusion-mediated intercellular signalling. Quorum sensing gene circuits in Escherichia coli extract-based CFES were tested in bulk and phase transfer-generated synthetic cells. Together with these experimental systems, corresponding models of synthetic cell populations that can account for population variability and secrete-and-sensing communication are developed using mixed-effects models and moment dynamics. Overall, this work leverages CFES and microfluidic technologies to reproducibly generate a simplified in vitro model of multicellular systems that can be easily monitored spatiotemporally to study multi-scalar processes.:Preface Chapter 1 Bottom-up multicellular systems Chapter 2 Building blocks: cell-free expression and liposomes Chapter 3 Gene expression dynamics in synthetic cell populations Chapter 4 Variability and communication in synthetic cell populations Chapter 5 Modeling variability & communication in synthetic cell populations Summary and outlook Appendices Bibliography / Biologische Zellpopulationen, z.B. in Geweben oder mikrobiellen Gemeinschaften, sind ständig verschiedenen Quellen von Rauschen und Variabilität ausgesetzt. Trotzdem sind multizelluläre Systeme in der Lage, ordnungsgemäß zu funktionieren, weil sich die Zellen durch Kommunikation miteinander abstimmen. Die Verwendung biologischer Modellsysteme zur Untersuchung dieses multiskalaren Prozesses kann aufgrund ihrer angeborenen Komplexität eine Herausforderung darstellen. In dieser Arbeit gehen wir diese Herausforderung an, indem wir ein synthetisches multizelluläres System mit Hilfe von Bottom-up-in vitro-Assembly-Ansätzen aufbauen. Mit Hilfe dieser Plattform wollen wir die Auswirkungen der Kommunikation von Zelle zu Zelle auf die Populationsvariabilität in einem minimalen und vereinfachten Kontext untersuchen. Um dies zu erreichen, benötigen wir eine synthetische Zellpopulation mit (i) quantifizierbarer Genexpressionsdynamik, (ii) anpassbarer Populationsvariabilität und (iii) interzellulärer Kommunikation. Mit diesen Eigenschaften können wir verschiedene Ausgangskonfigurationen der Populationsvariabilität testen und die Genexpressionsdynamik der Population mit und ohne Zell-zu-Zell-Kommunikation beobachten. Um diese synthetischen Zellpopulationen zu erzeugen, werden rekonstituierte zellfreie Expressionssysteme (CFES) mit Hilfe der Doppelemulsions-Mikrofluidik in monodisperse Liposomen eingekapselt. Sowohl die Transkriptions- als auch die Translationsraten werden gleichzeitig überwacht und quantifiziert, um Modelle für die Dynamik der zellfreien Genexpression zu entwickeln und zwischen Bulk- und verkapselten Formaten zu unterscheiden. Die Variabilität der Populationen wurde dann durch die Kombination verschiedener Zellchargen zur Bildung unterschiedlicher Subpopulationen oder durch die Verwendung einer mikrofluidischen Doppelemulsionsvorrichtung mit zwei Einlässen zur Erzeugung einzelner Populationen mit einer großen Streuung der eingekapselten DNA-Vorlage einbezogen. Schließlich werden genetische Schaltkreise auf der Grundlage des Quorum-Sensing-Systems von Vibrio fischeri verwendet, um diffusionsvermittelte interzelluläre Signalübertragung zu implementieren. Quorum-Sensing-Genkreisläufe in CFES auf der Basis von Escherichia coli-Extrakten wurden in synthetischen Zellen getestet, die durch Bulk- und Phasentransfer erzeugt wurden. Zusammen mit diesen experimentellen Systemen wurden entsprechende Modelle synthetischer Zellpopulationen entwickelt, die die Populationsvariabilität und die Sekretions- und Sensing-Kommunikation mit Hilfe von Mixed-Effects-Modellen und Momentendynamik berücksichtigen können. Insgesamt nutzt diese Arbeit CFES- und Mikrofluidik-Technologien, um reproduzierbar ein vereinfachtes in vitro-Modell multizellulärer Systeme zu erzeugen, das leicht raum-zeitlich überwacht werden kann, um multiskalare Prozesse zu untersuchen.:Preface Chapter 1 Bottom-up multicellular systems Chapter 2 Building blocks: cell-free expression and liposomes Chapter 3 Gene expression dynamics in synthetic cell populations Chapter 4 Variability and communication in synthetic cell populations Chapter 5 Modeling variability & communication in synthetic cell populations Summary and outlook Appendices Bibliography

Two trigonal tritopic ligands with different conformational degree of freedom: conformationally labile H3tcbpa (tris((4-carboxyl)phenylduryl)amine) and conformationally obstructed H3hmbqa (4,4′,4′′-(4,4,8,8,12,12-hexamethyl-8,12-dihydro-4H-benzo[9,1]quino-lizino[3,4,5,6,7-defg]acridine-2,6,10-triyl)tribenzoic acid) are assembled with square-planar paddle-wheel nodes with the aim of selective engineering of the frameworks with tbo and pto underlying net topologies. In the case of H3tcbpa, both topological types were obtained forming non-interpenetrated MOFs namely DUT-63 (tbo) and DUT-64 (pto). Whereas synthesis of DUT-63 proceeds under typical conditions, formation of DUT-64 requires an additional topology directing reagent (topological modifier). Solvothermal treatment of the conformationally hindered H3hmbqa ligand with the Cu-salt results exclusively in DUT-77 material, based on the single pto net. The possibility to insert the salen based metallated pillar ligand into networks with pto topology post-synthetically results in DUT-78 and DUT-79 materials (both ith-d) and opens new horizons for post-synthetic insertion of catalytically active metals within the above-mentioned topological type of frameworks.

Genetisch kodierte Photorezeptoren in Modellorganismen begründen die Optogenetik. Sie ermöglicht die nicht-invasive, reversible und räumlich-zeitlich präzise Perturbation von zellulären und physiologischen Signalprozessen durch Licht. Natürliche photoaktivierte Adenylylzyklasen (PACs) steigern die intrazelluläre Konzentration des Botenstoffs zyklischen Adenosinmonophosphats (cAMP) durch Blaulicht. Damit erlauben sie die optogenetische Analyse von cAMP-abhängigen Signalwegen. Diese Arbeit komplementiert PACs durch die synthetische rotlichtaktivierte Phosphodiesterase LAPD zur Degradation von cAMP und zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP). LAPD ist eine Chimäre aus dem photosensorischen Modul von Deinococcus radiodurans Bakteriophytochrom (DrBPhy) und der Effektordomäne der cAMP/cGMP-spezifischen H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). Die Fusionsstelle wurde von den helikalen Linkern zwischen Sensor- und Effektormodulen durch strukturelle Überlagerung abgeleitet. LAPD inkorporierte den Chromophor Biliverdin (BV) nach Expression in E. coli und Reinigung vollständig und entsprach spektral und photochemisch dem Wildtyp-DrBPhy. Durch Bestrahlung mit Rot- und Fernrotlicht (R bzw. FR) wurde LAPD in die metastabilen photochemischen Zustände Pfr (fernrot) bzw. Pr (rot) umgewandelt. Vollständig aktivierte LAPD katalysierte die Hydrolyse von cGMP und cAMP in derselben Größenordnung wie Wildtyp-HsPDE2A. LAPD degradierte cGMP und cAMP bei 6- bzw. 4-facher Steigerung von vmax unter R im Vergleich zu dunkeladaptiertem Enzym. Die Aktivität von R-adaptierter LAPD wurde durch FR reduziert. Die enzymatische Aktivität und Lichtregulation von LAPD-Linkervarianten waren abhängig von der Linkerlänge. LAPD degradierte lichtabhängig cGMP in einer PDE-Reporterzelle. Dabei genügte die endogene BV-Konzentration der Säugerzelle zur Sättigung des Lichteffekts. / Genetically encoded photoreceptors in model organisms establish optogenetics. It enables non-invasive, reversible, and spatio-temporally precise perturbation of cellular and physiological signalling by light. Natural photoactivated adenylate cyclases (PACs) increase the intracellular concentration of the second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP) under blue light. Hence, PACs allow the optogenetic analysis of cAMP-dependent signalling. This work complements PACs with the synthetic red-light-activated phosphodiesterase LAPD for degradation of cAMP and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). LAPD is a chimera made up of the photosensory module of Deinococcus radiodurans bacteriophytochrome (DrBPhy) and the effector domain of cAMP/cGMP-specific H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). The fusion site was derived from the helical linkers between sensor and effector modules via structural superposition. LAPD incorporated the chromophor biliverdin (BV) after expression in E. coli and purification quantitatively, and spectrally and photochemically resembled the wildtype DrBPhy. Upon irradiation with red and far-red light (R and FR, resp.), LAPD was converted to the metastable photochemical states Pfr (far-red) and Pr (red), respectively. Fully activated LAPD catalized the hydrolysis of cGMP and cAMP with rates similar to wildtype HsPDE2A. LAPD degraded cGMP and cAMP with 6- and 4-fold increase of vmax under R, respectively, as compared to the dark state. The activity of R-adapted LAPD was reduced upon irradiation with FR. Enzymatic activity and light regulation of LAPD linker variants depended on the linker length. LAPD light-dependently degraded cGMP in a PDE reporter cell line. Endogenous BV concentrations were sufficient to saturate the light effect in the mammalian cell, which enables a true optogenetic approach.

In Krebszellen induzieren Onkogene und Chemotherapie zelluläre Seneszenz. Dabei handelt es sich um einen terminalen Wachstumsarrest, bei dem durch Trimethylierung der Aminosäure Lysin an Position 9 (K9) des Histons H3 (H3K9me3) die Aktivierung S-Phase-relevanter Gene epigenetisch blockiert ist. Obwohl Therapie-induzierte Seneszenz (TIS) das Gesamtüberleben von Mäusen mit einer Lymphomerkrankung verbessert, stellt eine Elimination seneszenter Zellen aufgrund weiterhin bestehender und neu erworbener tumorigener Eigenschaften ein wichtiges therapeutisches Ziel dar. Die Arbeit zeigt anhand des transgenen Eμ-myc Mausmodells, in dem TIS in Abhängigkeit von der H3K9-Histonmethyltransferase Suv39h1 durch Chemotherapie induziert wird, dass TIS-Zellen in vitro und in vivo einer metabolischen Reprogrammierung unterliegen, die therapeutisch genutzt werden kann. TIS-kompetente Lymphome erhöhen im Gegensatz zu TIS-kompromittierten, Suv39h1- defizienten Lymphomen den Glukoseumsatz und die Produktion von ATP. Diese Umstellung des Stoffwechsels erfolgt als Antwort auf eine erhöhte Proteotoxizität, die durch Bestandteile des Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyps (SASP) hervorgerufen wird. SASP-Faktoren lösen in TIS-Zellen erhöhten Stress im endoplasmischen Retikulum (ER) aus und forcieren die Fehlfaltung von Proteinen, die nach vermehrter Ubiquitinierung durch Autophagie unter Energieverbrauch abgebaut werden. Deshalb sind stark SASP-exprimierende TIS-Lymphome im Vergleich zu genetisch durch die Inhibition des Transkriptionsfaktors NfκB veränderten und dadurch SASP-supprimierten TIS-Lymphomen empfindlich gegenüber der Inhibition des Glukosestoffwechsels oder der Blockade von Autophagie. Beides führt zur Elimination von TIS Zellen durch Caspase-12- und Caspase-3-abhängige, ER-initiierte Apoptose. Folglich erwirkt die pharmokologische Inhibition dieser veränderten Stoffwechselbedürfnisse nach TIS Induktion eine Tumorregression und ein verbessertes Gesamtüberleben in vivo. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine katabole Stoffwechsellage seneszenter Zellen, die therapeutisch durch konzeptionell neue „synthetisch-letale“, metabolische Therapien eliminiert werden können. Damit wird erstmals in der Krebstherapie ein Tumor-selektives Seneszenzprogramm zusammen mit der Blockade von Stoffwechselwegen genutzt. / Cellular senescence is a terminal growth arrest of viable cells characterized by S-phase entry-blocking histone 3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) in response to oncogene activation and anticancer chemotherapy. Although therapy-induced senescence (TIS) improves long-term outcome, senescent tumor cells acquire potentially harmful characteristics. Therefore, their quantitative elimination presents a therapeutic opportunity. In this thesis the Eμ-myc transgenic mouse lymphoma model, in which TIS depends on the H3K9 histone methyltransferase Suv39h1, is used to show mechanism and therapeutic exploitation of senescence-related metabolic reprogramming in vitro and in vivo. After senescence-inducing chemotherapy, TIS- competent lymphomas but not TIS-incompetent Suv39h1- lymphomas displayed increased glucose turnover and higher ATP production. The thesis demonstrates that this was due to massive proteotoxic stress, which is a consequence of the enhanced production of secretory proteins - referred to as the senescence-associated secretory phenotype (SASP) - of senescent cells. Consequently, SASP-producing TIS cells exhibited endoplasmic reticulum stress, an unfolded protein response (UPR), and increased ubiquitination, thereby targeting toxic proteins for autophagy in an acutely energy-consuming fashion. Accordingly, TIS lymphomas, unlike senescence models that lack a strong SASP response, for example due to the inhibition of the transcription factor NfκB, were more sensitive to blocking glycolysis or autophagy, which lead to their selective elimination through caspase-12- and caspase-3-mediated endoplasmic reticulum-related apoptosis. Consequently, pharmacological targeting of these metabolic liabilities upon TIS induction in vivo prompted tumor regression and improved treatment outcome further. These findings unveil the hypercatabolic nature of TIS that is therapeutically exploitable by synthetic lethal metabolic targeting. Thus, this treatment approach for the first time combines the inhibition of a tumor-specific senescence program with the interference of a metabolic pathway.

Das stäbchenförmige Bakterium Escherichia coli teilt sich in zwei gleich große Tochterzellen. Dies ist nur möglich, wenn sich die Zelle in der Mitte teilt. Bei E. coli wird die Zellteilung durch den Zusammenschluss der FtsZ-Proteine an der Membran zum Z-Ring eingeleitet. Topologische Regulierung des Z-Ringes erfolgt durch räumlich-zeitliche Oszillationen von Min-Proteinen zwischen den beiden Zellpolen. MinC, MinD und MinE binden an und lösen sich von der Membran unter Hydrolyse von ATP und in antagonistischer Art und Weise, was zu einer alternierenden Ansammlung von MinC und MinD an den Zellpolen führt. Gemittelt über die Zeit ergibt sich somit ein MinD-Verteilungsprofil, das maximale Konzentration an den Zellpolen und ein Minimum in der Zellmitte aufweist. MinC bindet an MinD und folgt somit seiner Verteilung. Der Zusammenschluss von FtsZ-Proteinen wird durch MinC unterbunden, und somit kann sich der Z-ring nur an einer Position herausbilden, die ein Minimum an MinC aufweist - der Zellmitte. Das Min-system wurde in der Vergangenheit auch mit einem in-vitro-Ansatz untersucht, indem Min-Proteine in künstliche, aufliegende Lipiddoppelschichten (supported lipid bilayers, SLB) rekonstitutiert wurden. Dabei bildeten die Min-Proteine kein oszillierendes Muster aus, sondern organisierten sich vielmehr in parallelen und propagierenden Wellen (Loose, 2008, Science, 320). In diesen in-vitro-Experimenten war das Membransubstrat wesentlich größer als die Wellenlänge der Min-Proteinwellen. In vivo hingegen ist die Länge der Zelle in der gleichen Größenordnung wie die charakteristische Länge des Oszillationsmusters der Min-Proteine. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, den Einfluß einer beschränkten Fläche und geometrischer Formgebung der künstlichen Lipiddoppelschichten auf die Wellenpropagation der Min-Protein zu untersuchen. Flächige Beschränkung künstlicher Membranen erfolgte durch Mikrostrukturtechnologie. Deckglässchen wurden mit einer Goldschicht und mikroskopischen Aussparungen unterschiedlicher geometrischer Formen strukturiert. Funktionale SLBs bildeten sich nur auf Glasflächen ohne Goldbeschichtung aus. Nach der Rekonstitution der Min-Proteine, organisierten sich diese auf den Membranstücken in parallele Wellen. Dabei bestimmte die flächige Beschränkung der künstlichen Membranen die Ausbreitungsrichtung der Min-Proteinwellen. Min-Proteinwellen konnten entlang gekrümmter Membranstreifen, in Ring- und sogar in Slalomstrukturen geleitet werden. In geraden, länglichen Strukturen richteten sich die Wellen entlang der längsten Achse aus. Kopplung von Proteinwellen auf räumlich getrennten Membranstücken in Abhängigkeit des Abstandes und des sogenannten Molecular Crowdings in der wässrigen Lösung konnte ebenfalls beobachtet werden. Diese Kopplung ist ein Indiz für inhomogene Proteinverteilungen in der Lösung oberhalb der Membran. Desweiteren konnten Min-Proteinwellen auch in diversen dreidimensionalen künstlichen Membranen rekonstitituiert werden. Im Wildtyp von E. coli ähneln die Min-Proteindynamiken der einer Oszillation mit einer charakteristischen Länge von 5 µm. Auf SLBs, bilden Min-Proteine Wellen mit einer Wellenlänge aus, die ca. zehnmal größer ist als in vivo. Dieser Unterschied zwischen der in-vivo- und der in-vitro-Welt wurde untersucht und diskutiert. In vitro konnte die Wellenlänge um 50 % durch Erhöhung des Molecular Crowding in der Lösung sowie um 33 % durch Temperaturerhöhung verkleinert werden. Das oszillierende Muster könnte dahingegen eine Folge der Kompartimentierung sein. Erste Versuche, das Min-System in geschlossene Membrankompartimente zu rekonstitutieren, wurden getestet. / Escherichia coli, a rod-like bacterium, divides by binary fission. Cell division into two daughter cells of equal size requires that fission takes place at a midcell position. In E. coli, cell division is initiated by assembly of the FtsZ-proteins at the inner membrane to the Z-ring. Topological regulation of the Z-ring is achieved by spatiotemporal pole-to-pole oscillations of Min-proteins. MinC, MinD and MinE bind to and detach from - under hydrolysis of ATP - the membrane in an antagonistic manner leading to an alternating accumulation of MinC and MinD at the cell poles. Averaged over time, the distribution profile of MinD exhibits maximal concentration at the cell poles and a minimum at the cell center. MinC binds to MinD and thus follows its distribution. FtsZ assembly is inhibited by MinC and therefore the Z-ring can only form at a cell position low in MinC - at the cell center. In the past, the Min-system was also investigated in an in vitro approach by reconstitution of Min-proteins into a supported lipid bilayer (SLB). Here, Min-proteins did not self-organize into an oscillatory pattern but into parallel and propagating waves (Loose, 2008, Science, 320). In this in vitro assay, the membrane substrate was infinitely large compared to the wavelength. However, in vivo, the cell length is on the same order of magnitude as the respective length scale of the oscillatory pattern of Min-proteins. Therefore, we wished to investigate the effect of lateral confinement and geometric structuring of artificial lipid bilayers on the Min-protein wave propagation. Lateral confinement of artificial membranes was achieved by microfabrication technology. Glass slides were patterned by a gold coating with microscopic windows of different geometries, and functional SLBs were only formed on uncoated areas. Upon reconstitution, Min-proteins organized into parallel waves on the geometric membrane patches. Confinement of the artificial membranes determined the direction of propagation of Min-protein waves. Min-protein waves could be guided along curved membrane stripes, in rings and even along slalom-geometries. In elongated membrane structures, the protein waves always propagate along the longest axis. Coupling of protein waves across spatially separated membrane patches was observed, dependent on gap size and level of molecular crowding of the aqueous media above the bilayer. This indicates the existence of an inhomogeneous and dynamic protein gradient in the solution above the membrane. Furthermore, reconstitution of Min-protein waves in various three-dimensional artificial membranes was achieved. In wild-type E. coli, Min-protein dynamics resemble that of an oscillation with a characteristic length scale of 5 µm. On supported lipid bilayers, Min-proteins self-organize into waves with a wavelength approximately 10-fold larger than in vivo. These discrepancies between the in vivo and in vitro world were investigated and discussed. In vitro, the wavelength could be decreased by a factor of 50 % by increase of the molecular crowding in solution and by 33 % through temperature increase. The oscillatory pattern is thought to be a consequence of compartmentalization and first attempts to encapsulate the Min-system in closed bilayer compartments are presented.

As an inspiration from nature, polymeric vesicles can be formed from amphiphilic block-copolymers. These vesicles are called polymersomes and have applications in drug delivery and as nanoreactors. Within this thesis, photo cross-linked and pH sensitive polymersomes were synthesized, characterized and applied on cells as well as bionanoreactors. The stability due to the crosslinking yielded polymersomes which show a distinct and reproducible swelling upon repeated pH changes. If the non cross-linked vesicles were exposed to a plasma-cleaned surface, they formed a tethered singly and multiple bilayers. Upon studying these membranes, they turned out to harden upon crosslinking and showed a completely non-fluid behaviour. Additionaly, the polymersome-cell interactions were studied and yielded a high influence of the crosslinking conditions on cellular toxicity. If crosslinked for a long time in a phosphate-free enviroment, the polymersomes proved to be least toxic. Finally, an enzyme was incorporated into the polymersomes to create bionanoreactors. Due to the pH sensitivity and swelling, the vesicles created yielded a pH controlled nanoreactor with enzymatic activity and a swollen, e.g. acidic, state only.

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Formation of segments during vertebrate embryogenesis is regulated by a biological clock. Models and experimental data indicate that the core of this clock consists of a cell- autonomous single cell oscillator. This oscillator likely involves a genetic feedback loop of transcriptional repressors belonging to the hairy gene family. In zebrafish, three her genes, her1, hes6 and her7, have been identified as core oscillator components. The main purpose of this project was to study the molecular mechanism of the hairy gene negative feedback oscillator in single cells. To determine whether a single cell oscillator is part of the zebrafish segmentation clock, a cell dissociation protocol was established to track the expression of Her1 ex vivo. Upon dissociation, Her1 expression continued to oscillate for up to three cycles. The period of oscillations was significantly slower than that of the segmentation clock, but appears to speed up in the presence of serum. To test whether the hairy gene interactions are sufficient to generate oscillations in single cells, a protocol was established that uses synthetic biology principles to design, construct and characterize hairy gene networks in yeast. First a library of network parts, containing hairy genes, promoters and Her binding sites was generated and subsequently assembled into simple devices to test their functionality in yeast. The three core oscillator components, Her1, Hes6 and Her7, were characterized and optimized for expression in yeast. In the SWITCH-OFF assay, the Her1 protein, modified with a MigED yeast repressor domain, was found to function as a transcriptional repressor in yeast, while Hes6 with the same modification can not. The dissociation of segmentation clock cells provides the first direct evidence that single cell oscillators exist in zebrafish. In this system, oscillator dynamics can be studied without the interactions of higher level clock components. In parallel, establishing a yeast chassis for hairy gene networks provides a novel technique to directly test predicted oscillator mechanisms by constructing them ’bottom up’.

The fetus is highly responsive to the level of glucocorticoids in the gestational environment. Perturbing glucocorticoids during fetal development could yield long-term consequences. Extending prior research about effects of prenatally exposed synthetic glucocorticoids (sGC) on brain structural development during childhood, we investigated functional brain correlates of cognitive conflict monitoring in term-born adolescents, who were prenatally exposed to sGC. Relative to the comparison group, behavioral response consistency (indexed by lower reaction time variability) and a brain correlate of conflict monitoring (the N2 event-related potential) were reduced in the sGC exposed group. Relatedly, source localization analyses showed that activations in the fronto-parietal network, most notably in the cingulate cortex and precuneus, were also attenuated in these adolescents. These regions are known to subserve conflict detection and response inhibition as well as top-down regulation of stress responses. Moreover, source activation in the anterior cingulate cortex correlated negatively with reaction time variability, whereas activation in the precuneus correlated positively with salivary cortisol reactivity to social stress in the sGC exposed group. Taken together, findings of this study indicate that prenatal exposure to sGC yields lasting impacts on the development of fronto-parietal brain functions during adolescence, affecting multiple facets of adaptive cognitive and behavioral control.

The fetus is highly responsive to the level of glucocorticoids in the gestational environment. Perturbing glucocorticoids during fetal development could yield long-term consequences. Extending prior research about effects of prenatally exposed synthetic glucocorticoids (sGC) on brain structural development during childhood, we investigated functional brain correlates of cognitive conflict monitoring in term-born adolescents, who were prenatally exposed to sGC. Relative to the comparison group, behavioral response consistency (indexed by lower reaction time variability) and a brain correlate of conflict monitoring (the N2 event-related potential) were reduced in the sGC exposed group. Relatedly, source localization analyses showed that activations in the fronto-parietal network, most notably in the cingulate cortex and precuneus, were also attenuated in these adolescents. These regions are known to subserve conflict detection and response inhibition as well as top-down regulation of stress responses. Moreover, source activation in the anterior cingulate cortex correlated negatively with reaction time variability, whereas activation in the precuneus correlated positively with salivary cortisol reactivity to social stress in the sGC exposed group. Taken together, findings of this study indicate that prenatal exposure to sGC yields lasting impacts on the development of fronto-parietal brain functions during adolescence, affecting multiple facets of adaptive cognitive and behavioral control.