Podcasts about modellsystems

Diese Woche führen wir ein Interview mit uns selbst, genauer gesagt redet Christoph mit Jeanette über seine Bachelorarbeit. Die Arbeit kommt aus dem Bereich der theoretischen Festkörperphysik (über die wir ja auch schon einmal gesprochen haben). Typisch für diesen Forschungsbereich, ging es darum, die Eigenschaften eines Modellsystems zu verstehen. Dafür werden theoretische Konzepte mit numerischen Berechnungen verbunden. In dem konkreten Projekt ging es um die Eigenschaften eines mikroelektronischen Transistors, bestehend aus zwei Quantenpunkten, die jeweils von Luttinger-Flüssigkeitselektroden kontaktiert wurden. Was diese komischen Wörter bedeuten, hört ihr im Podcast! An dieser Stelle auch der Link zum HNA Artikel: https://www.hna.de/lokales/goettingen/goettingen-ort28741/goettinger-studenten-erklaeren-mit-audio-postcasts-welt-physik-9498725.html Viel Spaß!

Zelladhäsion wird durch definierte Erkennungsepitope der extrazellulären Matrixproteine vermittelt. Diese werden durch Plasmamembranproteine erkannt und gebunden. Unter den Zelladhäsionsrezeptoren dominieren Integrine. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Entwicklung eines Modellsystems, das eine detaillierte Untersuchung von Zell-Oberflächen-Interaktionensprozessen ermöglicht.

Diese Arbeit besch"aftigt sich mit der Bestimmung elastischer Konstanten in amorphen Materialien. Im Mittelpunkt steht die Elastizit"at heterogener Netzwerke aus steifen, stabartigen Polymeren. Diese Netzwerke spielen eine wichtige Rolle in der Zell-Biologie, z.B. in der Form des Zytoskeletts, welchem die Zelle einen Gross teil ihrer mechanischen und dynamischen Eigenschaften verdankt. Bei der Bestimmung der elastischen Konstanten im Rahmen der Elastizit"atstheorie erh"alt der Begriff der `Affinit"at'' eine besondere Bedeutung, da er das Deformationsfeld emph{homogener} elastischer Systeme charakterisiert. Im Gegensatz dazu ist es in den hier interessierenden emph{heterogenen} Materialsystemen gerade die Abwesenheit dieser affinen Deformationen, die im Mittelpunkt des Interesses steht. Im Verlauf der Arbeit wird deutlich, wie Nichtaffinit"at aus einem Zusammenspiel geometrischer Eigenschaften der Mikrostruktur und mechanischer Eigenschaften der Einzelpolymere entstehen kann. Durch die Kombination von Computersimulation und analytischer Beschreibung werden wichtige Aspekte bez"uglich der Rolle der heterogenen Mikrostruktur in der Ausbildung makroskopischer Elastizit"at gekl"art. Der Ber"ucksichtigung nicht-affiner Deformationen kommt dabei au{ss}erordentliche Bedeutung bei der pr"azisen Bestimmung makroskopischer elastischer Konstanten zu. Es zeigt sich, dass die Struktur der Polymer-Netzwerke im Allgemeinen durch zwei L"angenskalen beschrieben werden muss. Neben der mittleren Maschenweite $a$ tritt eine mesoskopische L"angenskala $l_fgg a$ auf, die aus der stabartigen Form der Polymere folgt. Es wird gezeigt, dass diese ``Faserl"ange'' -- und nicht die Maschenweite -- die Rolle der Einheitszelle des Polymernetzwerkes spielt. Neben dieser geometrischen Komponente spielen die elastischen Eigenschaften der Einzelpolymere eine wesentliche Rolle f"ur die makroskopische Elastizit"at. Diese orientieren sich an den bekannten Kraft-Ausdehnungs-Relationen steifer Polymere und k"onnen mit Hilfe des ``worm-like chain'' Modells berechnet werden. Dar"uber hinaus wird ein neues ``worm-like bundle'' Modell entwickelt, das vergleichbare Aussagen zu statistischen und mechanischen Eigenschaften von Polymer-emph{B"undeln} erlaubt. Der erste Teil der Arbeit besch"aftigt sich mit der athermischen Elastizit"at des Netzwerkes, d.h. der entropische Anteil der Kraft-Ausdehnungs-Relation wird vernachl"assigt. Eine selbst-konsistente `effective-medium'' Theorie wird entwickelt, die auf der Annahme beruht, dass die Filamente sich wie emph{inextensible}, biegesteife St"abe verhalten. Die Annahme der Inextensibilit"at kann mit der anisotropen Elastizit"at steifer Polymere begr"undet werden, deren Biegesteifigkeit, $kperp$, im Allgemeinen sehr viel kleiner ist, als deren Strecksteifigkeit, $kpar gg kperp$. Das sich ergebende nicht-affine Deformationsfeld kann explizit konstruiert werden (``non-affine floppy modes'') und erlaubt eine Berechnung der elastischen Konstanten der Netzwerke, welche mit den Ergebnissen fr"uherer Simulationen "ubereinstimmen. Desweiteren erlaubt die Theorie, in Verbindung mit dem worm-like bundle Modell, eine Erkl"arung der rheologischen Eigenschaften eines in-vitro Modellsystems aus verkn"upften Polymerb"undeln. Der zweite Teil der Arbeit diskutiert thermische Effekte, indem die entropische Strecksteifigkeit der Polymere in der Modellierung ber"ucksichtigt wird. Es besteht ein charakteristischer Unterschied zwischen diesem entropischen Beitrag zur Strecksteifigkeit, $kpar$, und einem energetischen Beitrag, $k_s$, der sich z.B. aus der Streckung des Polymer-R"uckgrats ergibt. Dieser Unterschied betrifft die Abh"angigkeit von der L"ange $l$ des betrachteten Polymersegments. Die starke Abh"angigkeit $kparsim l^{-4}$ (im Vergleich zu $k_ssim l^{-1}$) f"uhrt dazu, dass thermische Netzwerke steifer Polymere eine starke Sensitivit"at f"ur strukturelle Unordnung aufweisen, die in athermischen Netzwerken nicht vorhanden ist. Im numerischen Modellsystem "au{ss}ert sich dieser Effekt durch die Existenz einer Nichtaffinit"ats-L"ange und dazugeh"origer anomaler Exponenten der elastischen Konstanten. Ein Skalenargument wird entwickelt, das den Zusammenhang aufzeigt zwischen Heterogenit"at des Netzwerks (hier charakterisiert durch die Verteilung $P(l)$) und elastischer Eigenschaften des Einzelpolymers ($kpar(l)$).

Im Rahmen der Arbeit wird eine neue, von Beobachtungen der Dynamik angetriebene Version des gekoppelten Klima-Chemiemodellsystems ECHAM5/MESSy vorgestellt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Modellversion ist die Möglichkeit, die modellierten chemischen Spurengase erstmals direkt mit Einzelmessungen zu vergleichen. Es werden verschiedene Parametrisierungen für Stickoxidemissionen aus Blitzen getestet. Die modellierten Stickoxid- und Ozonmischungsverhältnisse werden anhand von Flugzeugmessungen aus der oberen tropischen Troposphäre validiert. Ein Vergleich der simulierten Spurengasverteilung in der unteren Stratosphäre mit MIPAS/ENVISAT Beobachtungen belegt, dass ein realistisches Transportverhalten, speziell in der polaren Stratosphäre, erst mit der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten vertikal höher aufgelösten Modellversion garantiert werden kann.

Etwa 10 % der gesamten Erkrankungsfälle der humanen TSEs werden durch die Gruppe der vererbbaren Formen dieser Krankheiten repräsentiert, für die bislang in allen untersuchten Fällen Punktmutationen oder Insertionen im Prionprotein-Gen des Menschen (PRNP) nachgewiesen werden konnten. Obwohl bereits mehr als 20 TSE-assoziierte Mutationen in PRNP beschrieben wurden, ist nach wie vor relativ wenig über die Zellbiologie, d. h. den zellulären Transport bzw. die zelluläre Lokalisation dieser PrPMutanten bekannt. Aus diesem Grund wurde erstmalig ein Modellsystem mit homologen Maus-PrPs in der vielfach eingesetzten Maus-Neuroblastom-Zelllinie N2a etabliert, welches durch die Verwendung des grünen Fluoreszenzproteins (GFP) als integrales Markerprotein in PrP eine direkte Beobachtung von PrP und PrP-Mutanten in lebenden Zellen ermöglichte. Es wurden insgesamt neben der Chimäre mit wt PrP und GFP weitere 14 Chimären hergestellt, von denen 11 mit PrP-Mutanten humaner, vererbbarer Prionkrankheiten korrespondierten. Die Ausweitung des Modellsystems auf die PrPMutanten wurde erst nach einer sorgfältigen Überprüfung der Chimäre mit wt PrP (GFPwtPrP) vorgenommen, die zeigte, dass sich GFP-wtPrP in allen untersuchten Parametern wie natives PrP verhielt. Für die 11 TSE-assoziierten PrP-Mutanten konnten drei zelluläre Phänotypen identifiziert werden, die sich deutlich voneinander unterschieden. So konnte für bestimmte Missense- und Insert-Mutanten ein sekretorischer Transport wie bei der Wildtyp-Kontrolle festgestellt werden, mit einer Lokalisation der Proteine im Golgi- Apparat und auf der Zelloberfläche. Dem entgegen zeigten die zwei bislang beschriebenen, TSE-assoziierten Nonsense-Mutanten keinen Transport entlang eines sekretorischen Weges, sondern eine Lokalisation im Cytoplasma und im Zellkern. Als dritter Phänotyp konnte auf Grund einer Blockierung des sekretorischen Transports im Golgi-Apparat eine intrazelluläre Akkumulation im ER/Golgi sowohl für eine Missense-Mutante, deren Mutation zu einer Zerstörung des Sequenzmotivs für eine N-Glykosylierung führte als auch für eine Insert-Mutante, welche die bislang größte Insertion von zusätzlichen 9 Kopien eines Oktapeptids aufwies, detektiert werden. Die mittels des Modellsystems identifizierten, unterschiedlichen Lokalisationen der PrPMutanten deuten darauf hin, dass die familiären Prionkrankheiten nicht einer einheitlichen, zellulären Aberration unterliegen, sondern höchstwahrscheinlich entlang mehrerer zytopathogener Routen ausgebildet werden.