Photo by ©FAU/Erich Malter

OPEN FAU

Online publication system of Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

The online publication system OPEN FAU is the central publication platform for Open Access publishing for all members of Friedrich-Alexander-Universität. Qualified works from research and teaching may be published here free of charge, either as a primary or secondary publication. The full texts are permanently available worldwide and are findable and citable via catalogues and search engines.


To search for documents in OPEN FAU, please select "Search" (via the magnifying glass at the top right); this will provide you with various search options. If you want to publish a document, go to "Login" and "My Publications". Then drag you document into the field provided and enter the metadata. In just a few steps, you can submit your document. Please note our guidelines, the publication contract and FAQs.

 

Recent Submissions

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
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
Detection of Fragmented Telegrams in Multi-User MIMO Channels
(2024) Neumüller, Clemens; Heuberger, Albert
This thesis deals with the detection of fragmented telegrams in low power wide area networks (LPWANs). In particular, interference and fading channels are considered. Furthermore, packets with a signal power significantly below the noise power are to be detected reliably. The large time gaps between the individual bursts and the associated extensive loss of channel information denote special challenges in the detection of these telemetry telegrams. As a result, and in combination with the short length of the pilot sequences, noise and interfering signals are only suppressed to a comparatively small extent. In order to keep the false detection rate low while maintaining a high detection reliability, generalized hypothesis tests based on optimal burst metrics are developed and analyzed. These detectors are derived for a general number of receive antennas and arbitrary pilot sequences. Furthermore, closed-form expressions for their approximate detection and false detection probabilities could be derived. Specifically for the multi-user (MU)-multiple-input multiple-output (MIMO) channel, which is accessed by multiple unsynchronized users, a robust detector is considered in more detail. By exploiting spatial diversity, it may cancel up to $N_R -1$ interferers when employed in a receiver with $N_R$ antennas. Furthermore, the system-induced overlap among the hopping patterns of different telegrams poses a challenge. Suitable downstream hypothesis tests are capable of avoiding system-related false detections to a great extent. Based on these theoretical considerations, a software defined radio (SDR) detector architecture is proposed. For this, the general detection approach is adapted to the special circumstances of minimum-shift keying (MSK) modulated pilot sequences in the bursts' center. In order to handle the necessary multiple million telegram detections per second, this architecture is designed to be very efficient and makes use of heuristic and approximate methods. The circumstances of real-world transmissions such as non-ideal time and frequency synchronization are individually analyzed and the theoretical results are supported by simulations. Finally, the performance of a detector based on the theoretical considerations and implemented for an SDR is verified in a simulated multi-user interference scenario.
Doctoral thesis
Open Access
Computational modelling and simulation of heart electromechanics – from (smoothed) finite element methods towards a ligand-receptor model
Schriftenreihe Technische Dynamik : 9, (2024) Martonová, Denisa; Leyendecker, Sigrid
Nowadays, computational modelling and simulation have become powerful tools in medical sciences due to their considerable potential to assist clinicians in diagnosing the source of a disease, the kind of a therapy, or in training for a surgical operation. The focus of this thesis is on modelling and simulation of heart electromechanics. The importance is highlighted by the fact that cardiovascular diseases are currently the main cause of death worldwide. Despite rapid development in the last decades, cardiac modelling and simulation are still the subject of intensive research. It remains a challenging task to create an efficient computational heart model including all necessary ingredients. The overall aim of the present doctoral thesis is to develop a robust and accurate computational model of rat heart electromechanics, which is calibrated with experimental data. This cumulative thesis is presented as a compilation of six journal publications and one conference proceeding, which are grouped into four research contribution parts. To begin, the work is focused on creating a novel material model for passive cardiac mechanics. It is calibrated with experimental data in healthy rat cardiac tissue and in tissue 14 days after an induced myocardial infarction. The simulation results using the derived parameters show a close agreement with the experimental data. Then, utilising the suggested model and the determined parameters, it is studied how a weakened heart, suffering from a restrictive cardiomyopathy, may be supported from the outside by applying an external support pressure. Based on the simulation model, the optimal support pressure needed for the restoration of the healthy left-ventricular ejection fraction and end-diastolic volume is computed for different stages of ventricular fibrosis. Further, apart from the improvements on the material modelling level, the thesis focuses on a novel numerical method for the simulation of cardiac mechanics, i.e. multiple smoothed finite element methods are extended for the modelling and simulation of active cardiac contraction. It turned out that the method is very suitable for the simulation of the cardiac cycle. This is due to its ability to significantly reduce the volumetric locking problem, being present when large deformations occur, nearly incompressible material is utilised and the computational domain is discretised with tetrahedrons. Finally, in addition to the continuum approach on the organ-scale level, a cell-scale level two-state receptor binding model is established to investigate the influence of diverse hormone secretion patterns as well as to determine the optimal drug dose in order to restore the reference cellular responsiveness, being decreased under various pathological conditions. A possible inclusion into the established heart model is discussed.
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.