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Recent Submissions

Article
Open Access
Gain of Function Recyclable Photoswitches: Reversible Simultaneous Substitution and Photochromism Generation
(Wiley-VCH, 2024-02-05) Zitzmann, Max; Fröhling, Matthias; Dube, Henry
The use of molecular photoswitches has spread to virtually every field of pure and applied chemistry because of the extraordinary level of control they provide over the behavior of matter at the smallest scales. Photoswitches possess at least two different states with distinct structures and/or electronics and further functionalization of their core chromophore structures is needed to tailor them for a specific application. In this work we present a different concept for the generation and use of molecular photoswitches. It allows not only simultaneous establishment of photochromism and func- tionalization, but also full recyclability of a non-photo- chromic precursor material. Using a high-yielding and reversible ammonium salt formation, a functional group is introduced into a symmetric precursor while at the same time a strong electronic push-pull character is established in the structure. The resulting desymmetriza- tion leads to efficient photoswitching capacity and the functional group can be fully removed subsequently by a simple heating step recovering the precursor for another functionalization round. We finally demonstrate feasibil- ity of this concept over two consecutive closed loop functionalization/photoswitching/recovery steps. This concept offers great potential in any chemical research and application driven area but especially for the creation of responsive reprogrammable materials, no- background photoswitch labeling, and sustainable chemistry.
Doctoral thesis
Open Access
Anwendungen kovalenter Split-Isopeptidsysteme in vitro und in planta
(2024) Lang, Martina; Sonnewald, Uwe
Split-Isopeptidsysteme sind kovalente Proteininteraktionssysteme, die auf der natürlichen Ausbildung intramolekularer Isopeptidbindungen innerhalb von Domänen des CnaB-Typs basieren. Diese Art von Domänen ist besonders in Oberflächenproteinen Gram-positiver Bakterien zu finden (Pröschel et al., 2017). Die Spaltung einer solchen Domäne in zwei individuelle Teile, einem Tag-Peptid und einem größeren Catcher-Protein, markierte den Beginn der Split-Isopeptidsysteme. Daraus entwickelten sich zahlreiche weitere Systeme, wie das bekannte Spy-System, bestehend aus SpyTag und SpyCatcher. Treffen die Interaktionspartner Tag und Catcher aufeinander, rekonstituieren diese spontan unter Ausbildung einer kovalenten Isopeptidbindung, die zwischen den Reaktionspartnern ausgebildet wird und sie irreversibel miteinander verknüpft. Die kovalente Kopplung wird durch die räumliche Nähe der reaktiven Aminosäuren ermöglicht, welche bei der Rekonstitution eine katalytische Triade bilden. Somit erfolgt die Ausbildung der Isopeptidbindung spontan und ohne den Bedarf zusätzlicher Energie, wie beispielsweise ATP. Genutzt werden kann diese Interaktion z.B. durch die individuelle Fusion von Tag und Catcher an gewünschten Proteinen, um diese kovalent miteinander zu verknüpfen oder an Oberflächen zu immobilisieren. Seit der Erfindung des Spy-Systems 2012 von Zakeri et al., wurde das Prinzip der Domänen-Spaltung auf weitere Oberflächenproteine Gram-positiver Bakterien, die eine Faltung des CnaB-Typs aufweisen, übertragen. Das am besten charakterisierte Split-Isopeptidsystem stellt jedoch das Spy-System dar. Aufgrund der hohen Effizienz und Stabilität unter einer Bandbreite von Bedingungen (pH, Temperatur, Detergenzien) und der Funktionalität sowohl in vitro als auch in vivo, wurde es für eine Vielzahl an Anwendungen herangezogen. Dazu zählen unter anderem die Herstellung von Proteinkomplexen, Hydrogelen, thermostabiler Enzyme, bis hin zu Vakzinen. Bei vielen der publizierten Methoden wurde meist ausschließlich das Spy-System verwendet. Die Kombination von zwei oder mehr orthogonalen Interaktionssystemen ermöglicht den spezifischen, gerichteten Aufbau komplexer Strukturen verbunden mit einem breiteren Anwendungsgebiet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Split-Isopeptidsysteme, sowohl in vitro als auch im in planta Bereich eingesetzt, um das Anwendungsspektrum besonders durch die Kombination orthogonaler Interaktionssysteme zu erweitern und neue Methoden in planta zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden Multiproteinkomplexe mit Hilfe des Spy-, Snoop- und 4oq1-Systems konstruiert, die Bausteine rekombinant in E. coli hergestellt, in vitro zusammengebaut und der entstandene Komplex auf dessen Funktionalität überprüft. Dazu zählt die lineare Hintereinanderschaltung funktionaler Proteine innerhalb eines Komplexes, um diese in enge räumliche Nähe zu zwingen, die geometrische Lage der Proteine zu beeinflussen, sowie die Stöchiometrie der Komponenten zu bestimmen. Angewandt wurde dies in vitro bei der linearen Verknüpfung dreier Fluoreszenzproteine, mCherry, eGFP und mTagBFP, zur Herstellung weiß-emittierender Bio-LEDs (white hybrid light-emitting diodes; WHLED). Der fluoreszente Proteinkomplex wurde in eine stabilisierende Matrix eingebettet und als Beschichtung von UV-LEDs verwendet. Die kovalente Verknüpfung der Fluoreszenzproteine verbesserte den Energietransfer zwischen den Komponenten und ermöglichte die Emission weißen Lichtes. Das Prinzip der Kombination des Spy- und Snoop-Systems zur linearen Hintereinanderschaltung konnte auch bei der Herstellung eines Multienzymkomplexes Anwendung finden. Die Enzyme Invertase, Hexokinase und Phosphoglucoisomerase wurden mit den jeweiligen Interaktionsdomänen fusioniert und bildeten nach der Herstellung der modularen Bausteine und deren kovalenter Interaktion einen funktionalen Multienzymkomplex, der in der Lage war, Saccharose zu Glucose-6-Phosphat abzubauen. Über Anwendungen von Split-Isopeptidsystemen in planta wurde bisher nur wenig berichtet. Es ist lediglich bekannt, dass das Spy- und 4oq1-System erfolgreich und funktional in N. benthamiana hergestellt werden konnten, wohingegen das Snoop-System keine Funktionalität aufgrund fehlender Expression zeigte. Mit Hilfe der Kombination von Organell-spezifischen Lokalisationssequenzen und Komponenten des Spy- und 4oq1-Systems wurde in dieser Arbeit ein kovalenter Baukasten zur spezifischen Markierung pflanzlicher Organellen geschaffen, der sich individuell und einfach an verschiedene Anwendungen im in planta Bereich anpassen lässt. So führte die transiente Co-Expression von Tag-Lokalisationskonstrukten und fluoreszenten Catcher-Konstrukten zur spezifischen Markierung und Visualisierung von Chloroplasten, Mitochondrien und des Zellkerns in N. benthamiana. Die parallele Dekoration eines Organellentyps mit Catcher-Protein und eines anderen Organells mit Tag konnte für die Verknüpfung zweier unterschiedlicher Organellenarten verwendet werden. Dies konnte am Beispiel der Komplexbildung von Chloroplasten und Mitochondrien gezeigt werden (Organellenkleber). Die Kombination des Spy- und 4oq1-Systems konnte außerdem zur simultanen Kopplung von zwei Liganden an ein Organell herangezogen werden. Die Verknüpfung erfolgte entweder linear durch Hintereinanderschaltung oder durch Bindung an ein Gerüstprotein (Scaffold). Als Liganden wurden die Fluoreszenzproteine mCherry und eGFP verwendet, die spezifisch an Chloroplasten dirigiert wurden. Beide Ansätzen könnten als Plattform für die Kopplung funktionaler Proteine an Organellen verwendet werden und als kovalentes Werkzeug für das plant metabolic engineering dienen. Zusätzlich konnte eine Methode zur einfachen und spezifischen Isolation SpyTag-markierter Chloroplasten und Mitochondrien aus Blattrohextrakt mit Hilfe magnetischer SpyCatcher-beschichteter beads entwickelt werden. Die Isolation benötigte wenig Zeit und Ausgangsmaterial und lieferte Organellen mit hoher Reinheit und guter Ausbeute. Wie auch in Lang et al., 2020 beschrieben, ist die Besonderheit das breite Anwendungsspektrum von Split-Isopeptidsystemen in planta und die Möglichkeit, verschiedene Ziele und Strukturen spezifisch zu markieren, wodurch ein kovalenter Baukasten für die Pflanzenmanipulation entstand. Als langfristiges Ziel kann die Kombination verschiedener, orthogonaler Split-Isopeptidsysteme, in Verbindung mit zellspezifischen Promotoren, sowie die parallele Markierung und Isolierung verschiedener Organellen (wie Zellkerne, Chloroplasten und Mitochondrien), Polysomen und intrazellulärer Vesikel (aus dem ER, aus dem Golgi usw.) angesehen werden. Einzeln isolierte Organellen in Verbindung mit anschließender Analytik (Proteomik, Metabolomik) könnten einen tieferen Einblick in den zelltypspezifischen Stoffwechsel, die Signalübertragung und andere Mechanismen ermöglichen (M. Lang et al., 2020). Des Weiteren bildet die Möglichkeit der simultanen stabilen Kopplung mehrerer Liganden an Organellen ein großes Potential für die gezielte Manipulation des Pflanzenstoffwechsels, die genauer untersucht werden sollte. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden bilden somit die Grundlage für die Weiterentwicklung des kovalenten Baukastens basierend auf Split-Isopeptidsystemen im in vitro und in planta Bereich sowie ein nützliches Werkzeug zur Herstellung funktionaler, kovalenter Proteinkomplexe.
Doctoral thesis
Open Access
Ansätze zur Optimierung von Frequenzsprung-Spreizverfahren für Telemetriesysteme in interferenzlimitierten Kanälen
(2024-02-14) Rauh, Sebastian; Heuberger, Albert
Die ganzheitliche Vernetzung von Systemen ist eines der Ziele des Internets der Dinge (IoT). Hierarchisch übergeordneten Systemen sollen so u. a. Sensordaten zur Verfügung gestellt werden. Zur Datenübertragung werden zunehmend Telemetriesysteme mit geringem Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Reichweite eingesetzt. Diese auch als Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) bezeichneten Funksysteme nutzen häufig die lizenzfreien Industrial, Scientific and Medical (ISM) und Short-Range-Devices (SRD) Frequenzbänder unterhalb 1 GHz. Den Vorteilen dieser Frequenzbänder stehen nachrichtentechnische Herausforderungen gegenüber. So ist eine hohe Übertragungssicherheit nur durch störresistente Übertragungsverfahren erreichbar. Frequenzsprung-Spreizverfahren (FHSS) und die Verwendung von Kanalcodierung sind eine der Möglichkeiten. Für dynamische Störumgebungen sind zudem Adaptive (AFHSS) und Kognitive Frequenzsprung-Spreizverfahren (CFHSS) vielversprechende Ansätze. Eine Bewertung der Leistungsfähigkeit von FHSS-, AFHSS- und CFHSS-Verfahren mit geringer Latenz blieb bislang offen. Diese Arbeit knüpft hier an und untersucht die Zuverlässigkeit dieser Kanalzugriffsverfahren. Ausgangspunkt ist eine Analyse empirischer Kanalzugriffe in den sub-GHz ISM-/SRDBändern. Mit Fokus auf die Anwendung von LPWANs in industriellen Umgebungen basiert diese auf einer in einem mittelständischen Maschinenbauunternehmen durchgeführten Messkampagne. Mit dem komplexwertigen Basisbandsignal als Grundlage und einer auf Bildverarbeitungsmethoden beruhenden Signalverarbeitungskette erfolgt die Detektion konkurrierender Kanalzugriffe in Zeit- und Frequenzdimension. Die für einzelne Störsysteme abgeleiteten Zugriffsattribute Zugriffslänge, Mittenfrequenz, Bandbreite und mittlere Zugriffsrate dienen schließlich als Grundlage eines abgeleiteten Kanalzugriffsmodells. Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit von FHSS-Verfahren in interferenzlimitierten Kanälen werden die Störungen und die Nutzübertragung des LPWANs in Bezug zueinander gesetzt. Die Modellierung erfolgt hierzu durch eine zeitdiskrete homogene Markov-Kette. Durch Modellierung der Koexistenz wird die mittlere Decodierfehlerwahrscheinlichkeit der eingesetzten Kanalcodierung bestimmt. Hierbei wird die Verteilungsdichtefunktion der Überlagerungslängen von Referenzübertragung und konkurrierenden Kanalzugriffen iterativ berechnet. Mit der entwickelten Methodik wird schließlich die mittlere Paketfehlerwahrscheinlichkeit sowie deren unteren Grenzen für FHSS- und AFHSS-Verfahren semi-analytisch berechnet. Für exemplarische Szenarien wird zudem die untere Grenze von CFHSS-Verfahren simulativ untersucht und Schlussfolgerungen abgeleitet. Die entwickelte Methodik stellt somit u. a. einen Ausgangspunkt für weiterführende Entwicklungen von Verfahren zur Erzeugung und Optimierung von Frequenzsprungsequenzen und Frequenzsprung-Spreizverfahren dar.
Doctoral thesis
Open Access
Die HIF-abhängige Regulation von Histon-Lysin-Demethylasen in der Niere
(2024) Schönau, Carlotta E.; Schödel, Johannes
Mammalian cells are extremely sensitive to changes in oxygen levels. The adaption to hypoxic conditions is mediated by hypoxia inducible factors (HIF). HIF are transcription factors which induce gene expression affecting i.e. angiogenesis, erythropoiesis, cell metabolism and proliferation. In addition to these direct effects HIF are known to induce the expression of genes encoding for epigenetic modifiers i.e. some Jumonji C histone lysine demethylases (JmjC KDMs), which enzymatically modify chromatin. KDM4B is a member of this family of enzymes. KDM4B activity induces, among others, genes such as LOX (lysyl oxidase), LOXL2 (lysyl oxidase-like 2), PDGFß (platelet-derived growth factor β) and SMAD3 (mothers against decapentaplegic homolog 3) which are known to play a role in fibrotic pathways. HIF are also involved in fibrotic processes i.e. in acute kidney injury (AKI) related renal fibrosis. However, their exact role in the development of renal fibrosis remains unclear. This work aims to analyse the HIF dependent regulation of several JmjC KDMs in the kidney, focusing on the role of KDM4B in the regulation of profibrotic genes. To address this, KDM expression levels were detected in primary human renal cells and murine tissues in which HIF was pharmacological stabilized. Small interfering ribonucleic acid (siRNA) mediated knock down experiments were used to analyse the KDM4B dependent regulation of profibrotic genes in the kidney. I detected HIF dependent regulation of several KDMs in renal cells and in kidney tissue. KDM4B knock down in renal cells resulted in a decrease of gene expression of some profibrotic genes. These results show that JmjC KDMs may play a role in the renal adaption to hypoxia mediated by the HIF signalling pathway. A KDM4B dependent regulation of profibrotic genes in the kidney seems plausible indicating an interplay between HIF and KDM4B.
Doctoral thesis
Open Access
Social Influence and Decision Making: Desirability, Signalling and Information
(2024-02-29) Baker, Edmund; Grimm, Veronika; Grimm, Veronika; Ofek-Shanny, Yuval
This dissertation is a collection of three essays that contribute to the literature on the influence of social factors on economic decision-making. Each essay focuses on one aspect of how socially conveyed information causes individuals to change their behaviour. The introduction on page 6 sets out a more detailed summary of each essay. The first essay focuses on ethnic discrimination in the labour market. There is a disparity between lab and field, with the former producing less convincing evidence of discrimination than the latter. One hypothesis for the disparity is that participants in experiments are aware they are being monitored and adjust their behaviour to avoid sending a signal that they are discriminatory. We tested this with an online experiment. In our control treatment, we asked the participants to rate fictitious CVs (which vary according to ethnicity) as part of a pre-selection in a recruitment process. In our second treatment, we explicitly tell the participants that they are taking part in an experiment. In our third treatment, we tell them their decisions will be evaluated. Overall, participants favoured Black CVs by a small amount, but a small minority favoured White CVs by a large amount. However, that minority ceased discriminatory behaviour in the two treatments where they are being monitored. The second essay focuses on the social signals that jobseekers increasingly send via their social media accounts. We implemented a similar experiment to the one in the first essay, except this time the participants were provided both with a CVs and social media content. Candidates who were open about their mental health problems received lower scores, and candidates whose social media content included mild negative signals such as an interest in video games received the worst scores. Candidates with no social media presence received scores even worse than the candidate who was suffering from mental health issues. This suggests that seeking to maintain a low profile online is itself perceived as a negative signal. The third essay focuses on the signals inherent in bilateral trade. I present a model which illustrates the conditions under which rational agents should have a gap between their willingness to pay (WTP) and willingness to accept (WTA). In essence, this is because if someone wants to sell a good, it sends a negative signal about its value. The more uncertain traders are about the value of the good, and the more affiliated they are with their trading partner, the larger this gap should be. I tested these predictions in an experiment and found no overall convincing evidence that information effects drive WTP-WTA gaps for everyday goods.