TY - JOUR A1 - Lu, Jinping A1 - Dreyer, Ingo A1 - Dickinson, Miles Sasha A1 - Panzer, Sabine A1 - Jaślan, Dawid A1 - Navarro-Retamal, Carlos A1 - Geiger, Dietmar A1 - Terpitz, Ulrich A1 - Becker, Dirk A1 - Stroud, Robert M. A1 - Marten, Irene A1 - Hedrich, Rainer T1 - Vicia faba SV channel VfTPC1 is a hyperexcitable variant of plant vacuole two pore channels JF - eLife N2 - To fire action-potential-like electrical signals, the vacuole membrane requires the two-pore channel TPC1, formerly called SV channel. The TPC1/SV channel functions as a depolarization-stimulated, non-selective cation channel that is inhibited by luminal Ca\(^{2+}\). In our search for species-dependent functional TPC1 channel variants with different luminal Ca\(^{2+}\) sensitivity, we found in total three acidic residues present in Ca\(^{2+}\) sensor sites 2 and 3 of the Ca\(^{2+}\)-sensitive AtTPC1 channel from Arabidopsis thaliana that were neutral in its Vicia faba ortholog and also in those of many other Fabaceae. When expressed in the Arabidopsis AtTPC1-loss-of-function background, wild-type VfTPC1 was hypersensitive to vacuole depolarization and only weakly sensitive to blocking luminal Ca\(^{2+}\). When AtTPC1 was mutated for these VfTPC1-homologous polymorphic residues, two neutral substitutions in Ca\(^{2+}\) sensor site 3 alone were already sufficient for the Arabidopsis At-VfTPC1 channel mutant to gain VfTPC1-like voltage and luminal Ca\(^{2+}\) sensitivity that together rendered vacuoles hyperexcitable. Thus, natural TPC1 channel variants exist in plant families which may fine-tune vacuole excitability and adapt it to environmental settings of the particular ecological niche. KW - A. thaliana KW - Brassicaceae KW - Fabaceae KW - pore KW - potassium channel KW - voltage gating KW - vacuolar calcium sensor Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350264 VL - 12 ER - TY - JOUR A1 - Reuter, Christian A1 - Hauf, Laura A1 - Imdahl, Fabian A1 - Sen, Rituparno A1 - Vafadarnejad, Ehsan A1 - Fey, Philipp A1 - Finger, Tamara A1 - Jones, Nicola G. A1 - Walles, Heike A1 - Barquist, Lars A1 - Saliba, Antoine-Emmanuel A1 - Groeber-Becker, Florian A1 - Engstler, Markus T1 - Vector-borne Trypanosoma brucei parasites develop in artificial human skin and persist as skin tissue forms JF - Nature Communications N2 - Transmission of Trypanosoma brucei by tsetse flies involves the deposition of the cell cycle-arrested metacyclic life cycle stage into mammalian skin at the site of the fly’s bite. We introduce an advanced human skin equivalent and use tsetse flies to naturally infect the skin with trypanosomes. We detail the chronological order of the parasites’ development in the skin by single-cell RNA sequencing and find a rapid activation of metacyclic trypanosomes and differentiation to proliferative parasites. Here we show that after the establishment of a proliferative population, the parasites enter a reversible quiescent state characterized by slow replication and a strongly reduced metabolism. We term these quiescent trypanosomes skin tissue forms, a parasite population that may play an important role in maintaining the infection over long time periods and in asymptomatic infected individuals. KW - mechanisms of disease KW - parasitology KW - transcriptomics Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358142 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Haake, Markus A1 - Haack, Beatrice A1 - Schäfer, Tina A1 - Harter, Patrick N. A1 - Mattavelli, Greta A1 - Eiring, Patrick A1 - Vashist, Neha A1 - Wedekink, Florian A1 - Genssler, Sabrina A1 - Fischer, Birgitt A1 - Dahlhoff, Julia A1 - Mokhtari, Fatemeh A1 - Kuzkina, Anastasia A1 - Welters, Marij J. P. A1 - Benz, Tamara M. A1 - Sorger, Lena A1 - Thiemann, Vincent A1 - Almanzar, Giovanni A1 - Selle, Martina A1 - Thein, Klara A1 - Späth, Jacob A1 - Gonzalez, Maria Cecilia A1 - Reitinger, Carmen A1 - Ipsen-Escobedo, Andrea A1 - Wistuba-Hamprecht, Kilian A1 - Eichler, Kristin A1 - Filipski, Katharina A1 - Zeiner, Pia S. A1 - Beschorner, Rudi A1 - Goedemans, Renske A1 - Gogolla, Falk Hagen A1 - Hackl, Hubert A1 - Rooswinkel, Rogier W. A1 - Thiem, Alexander A1 - Romer Roche, Paula A1 - Joshi, Hemant A1 - Pühringer, Dirk A1 - Wöckel, Achim A1 - Diessner, Joachim E. A1 - Rüdiger, Manfred A1 - Leo, Eugen A1 - Cheng, Phil F. A1 - Levesque, Mitchell P. A1 - Goebeler, Matthias A1 - Sauer, Markus A1 - Nimmerjahn, Falk A1 - Schuberth-Wagner, Christine A1 - Felten, Stefanie von A1 - Mittelbronn, Michel A1 - Mehling, Matthias A1 - Beilhack, Andreas A1 - van der Burg, Sjoerd H. A1 - Riedel, Angela A1 - Weide, Benjamin A1 - Dummer, Reinhard A1 - Wischhusen, Jörg T1 - Tumor-derived GDF-15 blocks LFA-1 dependent T cell recruitment and suppresses responses to anti-PD-1 treatment JF - Nature Communications N2 - Immune checkpoint blockade therapy is beneficial and even curative for some cancer patients. However, the majority don’t respond to immune therapy. Across different tumor types, pre-existing T cell infiltrates predict response to checkpoint-based immunotherapy. Based on in vitro pharmacological studies, mouse models and analyses of human melanoma patients, we show that the cytokine GDF-15 impairs LFA-1/β2-integrin-mediated adhesion of T cells to activated endothelial cells, which is a pre-requisite of T cell extravasation. In melanoma patients, GDF-15 serum levels strongly correlate with failure of PD-1-based immune checkpoint blockade therapy. Neutralization of GDF-15 improves both T cell trafficking and therapy efficiency in murine tumor models. Thus GDF-15, beside its known role in cancer-related anorexia and cachexia, emerges as a regulator of T cell extravasation into the tumor microenvironment, which provides an even stronger rationale for therapeutic anti-GDF-15 antibody development. KW - cancer microenvironment KW - immunotherapy KW - T cells KW - tumour immunology Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-357333 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Graus, Dorothea A1 - Li, Kunkun A1 - Rathje, Jan M. A1 - Ding, Meiqi A1 - Krischke, Markus A1 - Müller, Martin J. A1 - Cuin, Tracey Ann A1 - Al‐Rasheid, Khaled A. S. A1 - Scherzer, Sönke A1 - Marten, Irene A1 - Konrad, Kai R. A1 - Hedrich, Rainer T1 - Tobacco leaf tissue rapidly detoxifies direct salt loads without activation of calcium and SOS signaling JF - New Phytologist N2 - Salt stress is a major abiotic stress, responsible for declining agricultural productivity. Roots are regarded as hubs for salt detoxification, however, leaf salt concentrations may exceed those of roots. How mature leaves manage acute sodium chloride (NaCl) stress is mostly unknown. To analyze the mechanisms for NaCl redistribution in leaves, salt was infiltrated into intact tobacco leaves. It initiated pronounced osmotically‐driven leaf movements. Leaf downward movement caused by hydro‐passive turgor loss reached a maximum within 2 h. Salt‐driven cellular water release was accompanied by a transient change in membrane depolarization but not an increase in cytosolic calcium ion (Ca\(^{2+}\)) level. Nonetheless, only half an hour later, the leaves had completely regained turgor. This recovery phase was characterized by an increase in mesophyll cell plasma membrane hydrogen ion (H\(^{+}\)) pumping, a salt uptake‐dependent cytosolic alkalization, and a return of the apoplast osmolality to pre‐stress levels. Although, transcript numbers of abscisic acid‐ and Salt Overly Sensitive pathway elements remained unchanged, salt adaptation depended on the vacuolar H\(^{+}\)/Na\(^{+}\)‐exchanger NHX1. Altogether, tobacco leaves can detoxify sodium ions (Na\(^{+}\)) rapidly even under massive salt loads, based on pre‐established posttranslational settings and NHX1 cation/H+ antiport activity. Unlike roots, signaling and processing of salt stress in tobacco leaves does not depend on Ca\(^{2+}\) signaling. KW - calcium signaling KW - cytosolic pH KW - leaf response KW - NaCl transport KW - NHX1 KW - osmotic effects KW - Salt Overly Sensitive pathway KW - salt stress Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312152 VL - 237 IS - 1 SP - 217 EP - 231 ER - TY - JOUR A1 - Rössler, Wolfgang A1 - Grob, Robin A1 - Fleischmann, Pauline N. T1 - The role of learning-walk related multisensory experience in rewiring visual circuits in the desert ant brain JF - Journal of Comparative Physiology A N2 - Efficient spatial orientation in the natural environment is crucial for the survival of most animal species. Cataglyphis desert ants possess excellent navigational skills. After far-ranging foraging excursions, the ants return to their inconspicuous nest entrance using celestial and panoramic cues. This review focuses on the question about how naïve ants acquire the necessary spatial information and adjust their visual compass systems. Naïve ants perform structured learning walks during their transition from the dark nest interior to foraging under bright sunlight. During initial learning walks, the ants perform rotational movements with nest-directed views using the earth’s magnetic field as an earthbound compass reference. Experimental manipulations demonstrate that specific sky compass cues trigger structural neuronal plasticity in visual circuits to integration centers in the central complex and mushroom bodies. During learning walks, rotation of the sky-polarization pattern is required for an increase in volume and synaptic complexes in both integration centers. In contrast, passive light exposure triggers light-spectrum (especially UV light) dependent changes in synaptic complexes upstream of the central complex. We discuss a multisensory circuit model in the ant brain for pathways mediating structural neuroplasticity at different levels following passive light exposure and multisensory experience during the performance of learning walks. KW - central complex KW - mushroom body KW - multisensory navigation KW - visual memory KW - neuronal and synaptic plasticity Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-325096 VL - 209 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Kreß, Julia Katharina Charlotte A1 - Jessen, Christina A1 - Hufnagel, Anita A1 - Schmitz, Werner A1 - Da Xavier Silva, Thamara Nishida A1 - Ferreira Dos Santos, Ancély A1 - Mosteo, Laura A1 - Goding, Colin R. A1 - Friedmann Angeli, José Pedro A1 - Meierjohann, Svenja T1 - The integrated stress response effector ATF4 is an obligatory metabolic activator of NRF2 JF - Cell Reports N2 - Highlights • The integrated stress response leads to a general ATF4-dependent activation of NRF2 • ATF4 causes a CHAC1-dependent GSH depletion, resulting in NRF2 stabilization • An elevation of NRF2 transcript levels fosters this effect • NRF2 supports the ISR/ATF4 pathway by improving cystine and antioxidant supply Summary The redox regulator NRF2 becomes activated upon oxidative and electrophilic stress and orchestrates a response program associated with redox regulation, metabolism, tumor therapy resistance, and immune suppression. Here, we describe an unrecognized link between the integrated stress response (ISR) and NRF2 mediated by the ISR effector ATF4. The ISR is commonly activated after starvation or ER stress and plays a central role in tissue homeostasis and cancer plasticity. ATF4 increases NRF2 transcription and induces the glutathione-degrading enzyme CHAC1, which we now show to be critically important for maintaining NRF2 activation. In-depth analyses reveal that NRF2 supports ATF4-induced cells by increasing cystine uptake via the glutamate-cystine antiporter xCT. In addition, NRF2 upregulates genes mediating thioredoxin usage and regeneration, thus balancing the glutathione decrease. In conclusion, we demonstrate that the NRF2 response serves as second layer of the ISR, an observation highly relevant for the understanding of cellular resilience in health and disease. KW - NRF2 KW - ATF4 KW - integrated stress response KW - CHAC1 KW - melanoma KW - SLC7A11 KW - GSH Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350312 VL - 42 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Djakovic, Lara A1 - Hennig, Thomas A1 - Reinisch, Katharina A1 - Milić, Andrea A1 - Whisnant, Adam W. A1 - Wolf, Katharina A1 - Weiß, Elena A1 - Haas, Tobias A1 - Grothey, Arnhild A1 - Jürges, Christopher S. A1 - Kluge, Michael A1 - Wolf, Elmar A1 - Erhard, Florian A1 - Friedel, Caroline C. A1 - Dölken, Lars T1 - The HSV-1 ICP22 protein selectively impairs histone repositioning upon Pol II transcription downstream of genes JF - Nature Communications N2 - Herpes simplex virus 1 (HSV-1) infection and stress responses disrupt transcription termination by RNA Polymerase II (Pol II). In HSV-1 infection, but not upon salt or heat stress, this is accompanied by a dramatic increase in chromatin accessibility downstream of genes. Here, we show that the HSV-1 immediate-early protein ICP22 is both necessary and sufficient to induce downstream open chromatin regions (dOCRs) when transcription termination is disrupted by the viral ICP27 protein. This is accompanied by a marked ICP22-dependent loss of histones downstream of affected genes consistent with impaired histone repositioning in the wake of Pol II. Efficient knock-down of the ICP22-interacting histone chaperone FACT is not sufficient to induce dOCRs in ΔICP22 infection but increases dOCR induction in wild-type HSV-1 infection. Interestingly, this is accompanied by a marked increase in chromatin accessibility within gene bodies. We propose a model in which allosteric changes in Pol II composition downstream of genes and ICP22-mediated interference with FACT activity explain the differential impairment of histone repositioning downstream of genes in the wake of Pol II in HSV-1 infection. KW - herpes virus KW - transcription Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358161 VL - 14 ER - TY - THES A1 - Bergmann Borges, Alyssa T1 - The endo-lysosomal system of \(Trypanosoma\) \(brucei\): insights from a protist cell model T1 - Das Endo-lysosomale System von \(Trypanosoma\) \(brucei\): Erkenntnisse aus einem Protisten-Zellmodell N2 - Most of the studies in cell biology primarily focus on models from the opisthokont group of eukaryotes. However, opisthokonts do not encompass the full diversity of eukaryotes. Thus, it is necessary to broaden the research focus to other organisms to gain a comprehensive understanding of basic cellular processes shared across the tree of life. In this sense, Trypanosoma brucei, a unicellular eukaryote, emerges as a viable alternative. The collaborative efforts in genome sequencing and protein tagging over the past two decades have significantly expanded our knowledge on this organism and have provided valuable tools to facilitate a more detailed analysis of this parasite. Nevertheless, numerous questions still remain. The survival of T. brucei within the mammalian host is intricately linked to the endo-lysosomal system, which plays a critical role in surface glycoprotein recycling, antibody clearance, and plasma membrane homeostasis. However, the dynamics of the duplication of the endo-lysosomal system during T. brucei proliferation and its potential relationship with plasma membrane growth remain poorly understood. Thus, as the primary objective, this thesis explores the endo-lysosomal system of T. brucei in the context of the cell cycle, providing insights on cell surface growth, endosome duplication, and clathrin recruitment. In addition, the study revisits ferritin endocytosis to provide quantitative data on the involvement of TbRab proteins (TbRab5A, TbRab7, and TbRab11) and the different endosomal subpopulations (early, late, and recycling endosomes, respectively) in the transport of this fluid-phase marker. Notably, while these subpopulations function as distinct compartments, different TbRabs can be found within the same region or structure, suggesting a potential physical connection between the endosomal subpopulations. The potential physical connection of endosomes is further explored within the context of the cell cycle and, finally, the duplication and morphological plasticity of the lysosome are also investigated. Overall, these findings provide insights into the dynamics of plasma membrane growth and the coordinated duplication of the endo-lysosomal system during T. brucei proliferation. The early duplication of endosomes suggests their potential involvement in plasma membrane growth, while the late duplication of the lysosome indicates a reduced role in this process. The recruitment of clathrin and TbRab GTPases to the site of endosome formation supports the assumption that the newly formed endosomal system is active during cell division and, consequently, indicates its potential role in plasma membrane homeostasis. Furthermore, considering the vast diversity within the Trypanosoma genus, which includes ~500 described species, the macroevolution of the group was investigated using the combined information of the 18S rRNA gene sequence and structure. The sequence-structure analysis of T. brucei and other 42 trypanosome species was conducted in the context of the diversity of Trypanosomatida, the order in which trypanosomes are placed. An additional analysis focused on Trypanosoma highlighted key aspects of the group’s macroevolution. To explore these aspects further, additional trypanosome species were included, and the changes in the Trypanosoma tree topology were analyzed. The sequence-structure phylogeny confirmed the independent evolutionary history of the human pathogens T. brucei and Trypanosoma cruzi, while also providing insights into the evolution of the Aquatic clade, paraphyly of groups, and species classification into subgenera. N2 - Die meisten Studien in der Zellbiologie konzentrieren sich in erster Linie auf Modelle aus der Opisthokont-Gruppe der Eukaryonten. Die Opisthokonten umfassen jedoch nicht die gesamte Vielfalt der Eukaryonten. Daher ist es notwendig, den Forschungsschwerpunkt auf andere Organismen auszuweiten, um ein umfassendes Verständnis grundlegender zellulärer Prozesse zu erlangen, die im gesamten Lebensbaum vorkommen. In diesem Sinne stellt Trypanosoma brucei, ein einzelliger Eukaryote, eine brauchbare Alternative dar. Die gemeinsamen Anstrengungen bei der Genomsequenzierung und der Markierung von Proteinen in den letzten zwei Jahrzehnten haben unser Wissen über diesen Organismus erheblich erweitert und wertvolle Instrumente für eine detailliertere Analyse dieses Parasiten bereitgestellt. Dennoch bleiben noch zahlreiche Fragen offen. Das Überleben von T. brucei im Säugetierwirt ist eng mit dem endo-lysosomalen System verknüpft, das eine entscheidende Rolle beim Recycling von Oberflächenglykoproteinen, der Antikörper-Clearance und der Homöostase der Plasmamembran spielt. Die Dynamik der Verdoppelung des endo-lysosomalen Systems während der Vermehrung von T. brucei und seine mögliche Beziehung zum Wachstum der Plasmamembran sind jedoch noch wenig bekannt. In dieser Arbeit wird daher das endo-lysosomale System von T. brucei im Kontext des Zellzyklus untersucht, um Erkenntnisse über das Wachstum der Zelloberfläche, die Verdopplung der Endosomen und die Clathrin-Rekrutierung zu gewinnen. Darüber hinaus wird in der Studie die Ferritin-Endozytose erneut untersucht, um quantitative Daten über die Beteiligung der TbRab-Proteine (TbRab5A, TbRab7 und TbRab11) und der verschiedenen endosomalen Subpopulationen (frühe, späte bzw. Recycling-Endosomen) am Transport dieses Flüssigphasenmarkers zu erhalten. Bemerkenswert ist, dass diese Subpopulationen zwar als unterschiedliche Kompartimente fungieren, aber verschiedene TbRabs in derselben Region oder Struktur gefunden werden können, was auf eine mögliche physische Verbindung zwischen den endosomalen Subpopulationen hindeutet. Die potenzielle physikalische Verbindung von Endosomen wird im Zusammenhang mit dem Zellzyklus weiter erforscht, und schließlich werden auch die Verdopplung und die morphologische Plastizität des Lysosoms untersucht. Insgesamt bieten diese Ergebnisse Einblicke in die Dynamik des Plasmamembranwachstums und die koordinierte Verdopplung des endo-lysosomalen Systems während der Proliferation von T. brucei. Die frühe Verdoppelung der Endosomen deutet auf ihre mögliche Beteiligung am Plasmamembranwachstum hin, während die späte Verdoppelung der Lysosomen auf eine geringere Rolle in diesem Prozess hindeutet. Die Rekrutierung von Clathrin- und TbRab-GTPasen an der Stelle der Endosomenbildung unterstützt die Annahme, dass das neu gebildete endosomale System während der Zellteilung aktiv ist, und deutet folglich auf seine potenzielle Rolle bei der Homöostase der Plasmamembran hin. In Anbetracht der enormen Vielfalt innerhalb der Gattung Trypanosoma, die etwa 500 beschriebene Arten umfasst, wurde die Makroevolution der Gruppe anhand der kombinierten Informationen der 18S rRNA-Gensequenz und Struktur untersucht. Die Sequenz-Struktur-Analyse von T. brucei und anderen 42 Trypanosomen-Arten wurde im Zusammenhang mit der Vielfalt der Trypanosomatida, der Ordnung, in die Trypanosomen eingeordnet werden, durchgeführt. Eine zusätzliche Analyse, die sich auf Trypanosoma konzentrierte, hob Schlüsselaspekte der Makroevolution dieser Gruppe hervor. Um diese Aspekte weiter zu erforschen, wurden zusätzliche Trypanosomenarten einbezogen und die Veränderungen in der Topologie des Trypanosoma-Baums analysiert. Die Sequenz-Struktur-Phylogenie bestätigte die unabhängige Evolutionsgeschichte der humanen Krankheitserreger T. brucei und Trypanosoma cruzi, während sie gleichzeitig Einblicke in die Evolution der aquatischen Klade, die Paraphylie von Gruppen und die Klassifizierung der Arten in Untergattungen lieferte. KW - 18S rRNA KW - Endocytose KW - Zellzyklus KW - Phylogenie KW - Endocytosis KW - Cell cycle KW - Trypanosoma KW - Phylogeny KW - Sequence-Structure KW - Endosomes KW - Lysosome Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-329248 ER - TY - JOUR A1 - Moustafa, Moataz A. M. A1 - Fouad, Eman A. A1 - Ibrahim, Emad A1 - Erdei, Anna Laura A1 - Kárpáti, Zsolt A1 - Fónagy, Adrien T1 - The comparative toxicity, biochemical and physiological impacts of chlorantraniliprole and indoxacarb on Mamestra brassicae (Lepidoptera: Noctuidae) JF - Toxics N2 - Background: The cabbage moth, Mamestra brassicae, is a polyphagous pest that attacks several crops. Here, the sublethal and lethal effects of chlorantraniliprole and indoxacarb were investigated on the developmental stages, detoxification enzymes, reproductive activity, calling behavior, peripheral physiology, and pheromone titer of M. brasssicae. Methods: To assess pesticide effects, the second instar larvae were maintained for 24 h on a semi-artificial diet containing insecticides at their LC\(_{10}\), LC\(_{30}\), and LC\(_{50}\) concentrations. Results: M. brassicae was more susceptible to chlorantraniliprole (LC\(_{50}\) = 0.35 mg/L) than indoxacarb (LC\(_{50}\) = 1.71 mg/L). A significantly increased developmental time was observed with both insecticides at all tested concentrations but decreases in pupation rate, pupal weight, and emergence were limited to the LC50 concentration. Reductions in both the total number of eggs laid per female and the egg viability were observed with both insecticides at their LC\(_{30}\) and LC\(_{50}\) concentrations. Both female calling activity and the sex pheromone (Z11-hexadecenyl acetate and hexadecenyl acetate) titer were significantly reduced by chlorantraniliprole in LC\(_{50}\) concentration. Antennal responses of female antennae to benzaldehyde and 3-octanone were significantly weaker than controls after exposure to the indoxocarb LC\(_{50}\) concentration. Significant reductions in the enzymatic activity of glutathione S-transferases, mixed-function oxidases, and carboxylesterases were observed in response to both insecticides. KW - toxicity KW - sublethal effects KW - chlorantraniliprole KW - indoxacarb KW - Mamestra brassicae Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303931 SN - 2305-6304 VL - 11 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Amatobi, Kelechi M. A1 - Ozbek-Unal, Ayten Gizem A1 - Schäbler, Stefan A1 - Deppisch, Peter A1 - Helfrich-Förster, Charlotte A1 - Mueller, Martin J. A1 - Wegener, Christian A1 - Fekete, Agnes T1 - The circadian clock is required for rhythmic lipid transport in Drosophila in interaction with diet and photic condition JF - Journal of Lipid Research N2 - Modern lifestyle is often at odds with endogenously driven rhythmicity, which can lead to circadian disruption and metabolic syndrome. One signature for circadian disruption is a reduced or altered metabolite cycling in the circulating tissue reflecting the current metabolic status. Drosophila is a well-established model in chronobiology, but day-time dependent variations of transport metabolites in the fly circulation are poorly characterized. Here, we sampled fly hemolymph throughout the day and analyzed diacylglycerols (DGs), phosphoethanolamines (PEs) and phosphocholines (PCs) using LC-MS. In wild-type flies kept on sugar-only medium under a light-dark cycle, all transport lipid species showed a synchronized bimodal oscillation pattern with maxima at the beginning and end of the light phase which were impaired in period01 clock mutants. In wild-type flies under constant dark conditions, the oscillation became monophasic with a maximum in the middle of the subjective day. In strong support of clock-driven oscillations, levels of the targeted lipids peaked once in the middle of the light phase under time-restricted feeding independent of the time of food intake. When wild-type flies were reared on full standard medium, the rhythmic alterations of hemolymph lipid levels were greatly attenuated. Our data suggest that the circadian clock aligns daily oscillations of DGs, PEs, and PCs in the hemolymph to the anabolic siesta phase, with a strong influence of light on phase and modality. KW - hemolymph lipids KW - lipidomics KW - circadian rhythm KW - feeding KW - locomotor activity KW - light-driven metabolism Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349961 VL - 64 IS - 10 ER - TY - THES A1 - Kohl, Patrick Laurenz T1 - The buzz beyond the beehive: population demography, parasite burden and limiting factors of wild-living honeybee colonies in Germany T1 - Das Summen fern des Bienenstocks: Populationsdemographie, Parasitenlast und limitierende Faktoren wildlebender Honigbienenvölker in Deutschland N2 - The western honeybee (Apis mellifera) is widely known as the honey producer and pollinator managed by beekeepers but neglected as a wild bee species. Central European honeybee populations have been anthropogenically disturbed since about 1850 through introgression and moderate artificial selection but have never been truly domesticated due to a lack of mating control. While their decline in the wild was historically attributed to the scarcity of nesting cavities, a contemporary view considers the invasion of the parasitic mite Varroa destructor in the 1970s as the major driver. However, there are no longitudinal population data available that could substantiate either claim. Based on the insight that introduced European honeybees form viable wild populations in eastern North America and reports on the occurrence of wild-living colonies from various European countries, we systematically studied the ecology of wild-living honeybees in Germany. First, we investigated whether wild-living honeybees colonising German forests form a self-sustaining population. Second, we asked how the parasite burden of wild-living colonies relates to that of managed colonies. And third, we explored whether the winter mortality of wild-living colonies is associated with parasite burden, nest depredation, or the lack of resources on the landscape scale. Between 2017 and 2021, we monitored listed trees with black woodpecker cavities for honeybees in the managed forests of three study regions (Swabian Alb, counties Coburg and Lichtenfels, county Weilheim-Schongau). Continuity of occupation was determined using microsatellite genetic markers. Wild-living colonies predictably colonised forests in summer, when about 10% of all cavities were occupied. The annual colony survival rate and colony lifespan (based on N=112 colonies) were 10.6% and 0.6 years, with 90% of colonies surviving summer (July–September), 16% surviving winter (September–April), and 72% surviving spring (April–July). The average maximum and minimum colony densities were 0.23 (July) and 0.02 (April) colonies per km^2. During the (re-)colonisation of forests in spring, swarms preferred cavities that had already been occupied by other honeybee colonies. We estimate the net reproductive rate of the population to be R0= 0.318, meaning that it is currently not self-sustaining but maintained by the annual immigration of swarms from managed hives. The wild-living colonies are feral in a behavioural sense. We compared the occurrence of 18 microparasites among feral colonies (N=64) and managed colonies (N=74) using qPCR. Samples were collected in four regions (the three regions mentioned above and the city of Munich) in July 2020; they consisted of 20 workers per colony captured at flight entrances. We distinguished five colony types representing differences in colony age and management histories. Besides strong regional variation, feral colonies consistently hosted fewer microparasite taxa (median: 5, range 1–8) than managed colonies (median: 6, range 4–9) and had different parasite communities. Microparasites that were notably less prevalent among feral colonies were Trypanosomatidae, Chronic bee paralysis virus, and Deformed wing viruses A and B. In the comparison of five colony types, parasite burden was lowest in newly founded feral colonies, intermediate in overwintered feral colonies and managed nucleus colonies, and highest in overwintered managed colonies and hived swarms. This suggests that the natural mode of colony reproduction by swarming, which creates pauses in brood production, and well-dispersed nests, which reduce horizontal transmission, explain the reduced parasite burden in feral compared to managed colonies. To explore the roles of three potential drivers of feral colony winter mortality, we combined colony observations gathered during the monitoring study with data on colony-level parasite burden, observations and experiments on nest depredation, and landscape analyses. There was no evidence for an effect of summertime parasite burden on subsequent winter mortality: colonies that died (N=57) did not have a higher parasite burden than colonies that survived (N=10). Camera traps (N=15) installed on cavity trees revealed that honeybee nests are visited by a range of vertebrate species throughout the winter at rates of up to 10 visits per week. Four woodpecker species, great tits, and pine martens acted as true nest depredators. The winter survival rate of colonies whose nest entrances were protected by screens of wire mesh (N=32) was 50% higher than that of colonies with unmanipulated entrances (N=40). Analyses of land cover maps revealed that the landscapes surrounding surviving colonies (N=19) contained on average 6.4 percentage points more resource-rich cropland than landscapes surrounding dying colonies (N=94). We estimate that tens of thousands of swarms escape from apiaries each year to occupy black woodpecker cavities and other hollow spaces in Germany and that feral colonies make up about 5% of the regional honeybee populations. They are unlikely to contribute disproportionately to the spread of bee diseases. Instead, by spatially complementing managed colonies, they contribute to the pollination of wild plants in forests. Honeybees occupying tree cavities likely have various effects on forest communities by acting as nest site competitors or prey, and by accumulating biomass in tree holes. Nest depredation (a consequence of a lack of well-protected nest sites) and food resource limitation seem to be more important than parasites in hampering feral colony survival. The outstanding question is how environmental and intrinsic factors interact in preventing population establishment. Nest boxes with movable frames could be used to better study the environmental drivers of feral colonies’ mortality. Pairs of wild (self-sustaining) and managed populations known to exist outside Europe could provide answers to whether modern apiculture creates honeybee populations maladapted to life in the wild. In Europe, large continuous forests might represent evolutionary refuges for wild honeybees. N2 - Die Honigbiene (Apis mellifera) ist als Nutztier weitbekannt, doch als Wildtier vernachlässigt. Seit etwa 1850 sind ihre Populationen in Mitteleuropa durch Introgression und moderate künstliche Selektion vom Menschen beeinflusst. Die Art wurde jedoch aufgrund fehlender Paarungskontolle nie wirklich domestiziert. Früher wurde der Rückgang wildlebender Honigbienen dem Verlust geeigneter Nistplätze zugeschrieben. Heute wird meist die Bienenmilbe Varroa destructor als Hauptursache angenommen. Es gibt allerdings keine Langzeitdaten, welche diese Annahmen stützen könnten. Basierend auf der Erkenntnis, dass eingeführte Honigbienen in Nordamerika stabile wilde Populationen bilden, und aufgrund von Berichten über das Vorkommen wildlebender Bienenvölker in verschiedenen Ländern Europas, widmeten wir uns dem systematischen Studium wildlebender Honigbienen in Deutschland. Zunächst untersuchten wir, ob waldbewohnende Bienenvölker eine selbsterhaltende Population bilden. Zweitens stellten wir die Frage, inwiefern sich wildlebende und imkerlich gehaltene Völker in ihrer Parasitenlast unterscheiden. Drittens testeten wir, ob Winterverluste wildlebender Bienenvölker mit Parasitendruck, Nestprädation oder mangelndem Nahrungsangebot auf Landschaftsebene in Verbindung stehen. In Wirtschaftswäldern dreier Untersuchungsgebiete (Schwäbische Alb, Landkreise Coburg und Lichtenfels, Landkreis Weilheim-Schongau) kontrollierten wir zwischen 2017 und 2021 bekannte Höhlenbäume des Schwarzspechts auf Besiedlung durch Honigbienen. Das Überleben einzelner Bienenvölker wurde zusätzlich mittels Analyse von Mikrosatelliten DNA überprüft. Nach verlässlichem Muster besiedelten Honigbienen jeden Sommer etwa 10% der Baumhöhlen. Die jährliche Überlebensrate und die Lebenserwartung der Völker (N=112) betrugen 10,6% und 0,6 Jahre, wobei 90% den Sommer (Juli–September), 16% den Winter (September–April) und 72% das Frühjahr (April–Juli) überlebten. Die durchschnittliche maximale (Juli) und minimale (April) Koloniedichte betrug 0,23 bzw. 0,02 Bienenvölker pro km^2. Während der (Wieder)Besiedlung von Wäldern im Frühjahr bevorzugten Bienenschwärme solche Baumhöhlen, welche zuvor schon von Bienen besiedelt worden waren. Die Nettoreproduktionsrate der wildlebenden Population wird auf R0= 0,318 geschätzt, was bedeutet, dass diese zurzeit nicht selbsterhaltend ist, sondern durch die jährliche Einwanderung von Bienenschwärmen aus der Imkerei aufrechterhalten wird. Wir untersuchten wildlebende (N=64) und imkerlich gehaltene Bienenvölker (N=74) auf den Befall mit 18 verschiedenen Mikroparasiten mittels qPCR. Die Proben stammten aus den drei oben genannten Gebieten sowie aus dem Stadtgebiet von München. Eine Probe bestand aus 20 Arbeiterinnen, welche am Flugloch gefangen wurden. Wir unterschieden fünf Kolonietypen aufgrund des Alters (jünger oder älter als ein Jahr) und der unmittelbaren Geschichte der Bewirtschaftung durch Imkerinnen und Imker. Abgesehen von regionalen Unterschieden in der Parasitenlast waren wildlebende Völker mit einer geringeren Anzahl Parasitentaxa befallen (Median: 5, Spanne: 1–8) als imkerlich gehaltene Völker (Median: 6, Spanne: 4–9) und wiesen eine veränderte Zusammensetzung von Parasiten auf. Seltener bei wildlebenden Bienenvölkern waren besonders Trypanosomatidae, das Chronische-Paralysevirus, sowie die Flügeldeformationsviren A und B. Im Vergleich der fünf Kolonietypen war die Parasitenlast bei neu gegründeten wildlebenden Völkern am geringsten, intermediär bei überwinterten wildlebenden Völkern und Brutablegern, und am höchsten bei überwinterten Wirtschaftsvölkern und bei durch Schwärme gegründeten imkerlich gehaltenen Völkern. Dies deutet darauf hin, dass das Schwärmen (Entstehung von Brutpausen) sowie die größere Distanz zwischen Nestern (Verminderung der horizontalen Krankheitsübertragung) die geringere Parasitenlast wildlebender Bienenvölker erklären. Wir kombinierten Beobachtungen zum Winterüberleben aus dem Monitoring mit Daten zur Parasitenlast, mit Beobachtungen und Experimenten zur Nestprädation und mit Landschaftsanalysen. Es ergab sich kein Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen Parasitenlast im Sommer und anschließendem Überwinterungserfolg: Völker, welche den Winter nicht überlebten (N=57), hatten zuvor keine höhere Parasitenlast als solche, welche den Winter überlebten (N=10). Kamerafallen (N=15) offenbarten, dass Honigbienennester im Winter von einer Vielzahl von Vögeln und Säugern mit bis zu 10 Besuchen pro Woche heimgesucht werden. Vier Spechtarten, Kohlmeisen und Baummarder wurden als echte Nestplünderer identifiziert. Bienenvölker, deren Nesteingang mit Maschendraht geschützt war (N=32), hatten eine 50% höhere Winterüberlebensrate als Völker ohne Schutz (N=40). Die Analyse von Landnutzungskarten zeigte, dass sich Bienenvölker, welche den Winter überlebten (N=19), in Landschaften mit durchschnittlich 6,4% höherem Anteil von Ackerflächen befanden als solche, die den Winter nicht überlebten (N=94). Wir schätzen, dass in Deutschland jährlich zehntausende Schwärme von Bienenständen entfliehen, um sich in Spechthöhlen oder anderen Hohlräumen anzusiedeln. Der Anteil wildlebender Völker an der Gesamtbienenpopulation beträgt im Sommer etwa 5%. Sie spielen vermutlich eine untergeordnete Rolle bei der Verbreitung von Bienenkrankheiten. Durch die Ergänzung imkerlich gehaltener Völker in Waldgebieten tragen sie zur Bestäubung waldbewohnender Pflanzenarten bei. Die Besiedlung von Baumhöhlen sollte vielseitige Auswirkungen auf Lebensgemeinschaften im Wald haben: Bienenvölker konkurrieren um Nistplätze, sind reiche Beute im Winter und akkumulieren organisches Material. Nestprädation (eine Folge des Mangels an sicheren Nisthöhlen) und Ressourcenlimitierung spielen offenbar derzeit eine größere Rolle als Parasiten bei der Erklärung von Winterverlusten. Eine offene Frage ist, inwiefern Umwelt und genetische Dispositionen die Etablierung wilder Honigbienenpopulationen verhindern. Künstliche Nistkästen könnten genutzt werden, um die Rolle von Umweltfaktoren genauer zu untersuchen. Populationen wilder Honigbienen außerhalb Europas könnten Erkenntnisse dazu liefern, inwiefern sich die moderne Imkerei auf die Anpassungen der Honigbienen als Wildtier auswirkt. In Europa könnten große zusammenhängende Waldgebiete als evolutionäre Refugien für wilde Honigbienen dienen. KW - Biene KW - Insektensterben KW - Wald KW - Spechte KW - Imkerei KW - wild honey bees KW - swarming KW - tree cavity KW - monitoring KW - bee diseases KW - Wilde Honigbienen KW - Bienenschwarm KW - Baumhöhle KW - Monitoring KW - Bienenkrankheiten KW - Nisthöhle Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-330327 ER - TY - JOUR A1 - Bachert, Antonia A1 - Scheiner, Ricarda T1 - The ant’s weapon improves honey bee learning performance JF - Scientific Reports N2 - Formic acid is the main component of the ant’s major weapon against enemies. Being mainly used as a chemical defense, the acid is also exploited for recruitment and trail marking. The repelling effect of the organic acid is used by some mammals and birds which rub themselves in the acid to eliminate ectoparasites. Beekeepers across the world rely on this effect to control the parasitic mite Varroa destructor. Varroa mites are considered the most destructive pest of honey bees worldwide and can lead to the loss of entire colonies. Formic acid is highly effective against Varroa mites but can also kill the honeybee queen and worker brood. Whether formic acid can also affect the behavior of honey bees is unknown. We here study the effect of formic acid on sucrose responsiveness and cognition of honey bees treated at different live stages in field-relevant doses. Both behaviors are essential for survival of the honey bee colony. Rather unexpectedly, formic acid clearly improved the learning performance of the bees in appetitive olfactory conditioning, while not affecting sucrose responsiveness. This exciting side effect of formic acid certainly deserves further detailed investigations. KW - animal behaviour KW - animal physiology Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358064 VL - 13 ER - TY - THES A1 - Gotthard, Hannes T1 - Targeting Colorectal Cancer Stem Cells with Hemibodies T1 - Eliminierung von Krebsstammzellen des kolorektalen Karzinoms mithilfe von Hemibodies N2 - The cancer stem cell hypothesis is a cancer development model which elicited great interest in the last decades stating that cancer heterogeneity arises from a stem cell through asymmetrical division. The Cancer Stem Cell subset is described as the only population to be tumorigenic and having the potential to renew. Conventional therapy often fails to eradicate CSC resulting in tumor relapse. Consequently, it is of great inter-est to eliminate this subset of cells to provide the best patient outcome. In the last years several approaches to target CSC were developed, one of them being immunotherapeu-tic targeting with antibodies. Since markers associated with CSC are also expressed on normal stem cells or healthy adjacent tissue in colorectal cancer, dual targeting strate-gies are preferred over targeting only a single antigen. Subsequently, the idea of dual targeting two CSC markers in parallel by a newly developed split T cell-engaging anti-body format termed as Hemibodies emerged. In a preliminary single cell RNA sequenc-ing analysis of colorectal cancer cells CD133, CD24, CD166 and CEA were identified as suitable targets for the combinatorial targeting strategy. Therefore, this study focused on trispecific and trivalent Hemibodies comprising a split binding moiety against CD3 and a binding moiety against either CD133, CD24, CD166 or CEA to overcome the occurrence of resistance and to efficiently eradicate all tumor cells including the CSC compartment. The study showed that the Hemibody combinations CD133xCD24, CD133xCD166 and CD133xCEA are able to eliminate double positive CHO cells with high efficacy while having a high specificity indicated by no killing of single antigen positive cells. A thera-peutic window ranging between one to two log levels could be achieved for all combina-tions mentioned above. The combinations CD133xCD24 and CD133xCD166 further-more proved its efficacy and specificity on established colorectal cancer cell lines. Be-sides the evaluation of specificity and efficacy the already introduced 1st generation of Hemibodies could be improved into a 2nd generation Hemibody format with increased half-life, stability and production yield. In future experiments the applicability of above-mentioned Hemibodies will be proven on patient-derived micro tumors to also include variables like tumor microenvironment and infiltration. N2 - In den letzten Jahrzenten wurde neben der klonalen Evolution ein weiteres Modell zur Krebsentstehung und dessen Heterogenität entwickelt: die Krebsstammzellhypothe-se. Diese Hypothese besagt, dass die Heterogenität eines Tumors durch asymmetri-sche Teilung von sogenannten Krebsstammzellen entsteht. Nur diese sind tumorigen und in der Lage Metastasen zu bilden. Außerdem werden Krebsstammzellen als re-sistent gegen konventionelle Therapien beschrieben, weshalb es nach einer anfängli-chen Tumorregression oft zu einem Rezidiv durch erneutes Auswachsen von zurück-bleibenden Krebsstammzellen kommt. Deshalb ist es von großem Interesse genau diese Population abzutöten, um eine erfolgreiche Therapie zu gewährleisten. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Medikationen entwickelt, um Krebsstammzellen ge-zielt anzugreifen. Ein vielversprechender Ansatz ist hierbei die immuntherapeutische Adressierung mittels Antikörpern gegen Krebsstammzellmarkern. Einzelne Marker sind allerdings auch auf normalen Stammzellen und gesundem Gewebe exprimiert, weshalb Therapien, die auf mindestens zwei verschiedene Oberflächenproteine ab-zielen, erfolgsversprechender sind. In dieser Arbeit wurde ein neues T-Zell rekrutie-rendes Antikörperformat entwickelt, sogenannte Hemibodies. Hierbei handelt es sich um ein trispezifisches und trivalentes Format, bestehend aus jeweils zwei Fragmen-ten. Jedes Fragment besteht aus einer Bindedomäne gegen ein Krebsstammzellmar-ker und einer geteilten Bindedomäne gegen CD3. Durch Bindung beider Fragmente an einen Stammzellmarker kommt es zur Komplementierung der geteilten anti-CD3 Domäne und zur T-Zellrekrutierung. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der bioin-formatischen Analyse von Einzelzell-RNA-Daten des kolorektalen Karzinoms (KRK) zur Identifizierung von potentiellen Krebsstammzellmarkern. Dabei konnten die Ober-flächenproteine CD24, CD133, CD166 und CEA und besonders deren Kombination als geeignete Zielstrukturen identifiziert werden. Die gegen oben genannte Antigene gerichteten Hemibodies zeigten in den Kombinationen CD133xCD24, CD133xCD166 und CD133xCEA auf doppelt positiven CHO-Zellen eine hohe Effektivität. Außerdem konnte die Spezifität durch ein Ausbleiben von Zelltod auf einzel-positiven CHO Zellen bewiesen werden. Die Kombinationen CD133xCD24 und CD133xCD166 konnten Effektivität und Spezifität auch auf etablierten Krebszellen zeigen. Die oben genann-ten Kombinationen waren in einem therapeutischen Fenster von ein bis zwei Logstu-fen funktional. Neben der Testung verschiedener Hemibody-Kombinationen konnten die bereits publizierten Hemibodies der ersten Generation in ein neues Format der zweiten Generation weiterentwickelt werden. Das neue Format zeigte eine verbesser-te Halbwertszeit, Stabilität und Produzierbarkeit. In zukünftigen Experimenten werden die in der Thesis benutzten Hemibodies auf Mikrotumoren getestet, um weitere Vari-ablen, die die Effektivität und Spezifität beeinflussen zu ermitteln. KW - Monoklonaler bispezifischer Antikörper KW - Antikörper KW - T-Lymphozyt KW - Immunreaktion KW - Dickdarmkrebs KW - Hemibody KW - Hemibodies KW - Colorectal Cancer KW - trispecific KW - T-cell engager KW - dual targeting KW - Bispecific T-cell engager KW - stem cells KW - Kolorektales Karzinom Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303090 ER - TY - JOUR A1 - Frank, Erik T. A1 - Kesner, Lucie A1 - Liberti, Joanito A1 - Helleu, Quentin A1 - LeBoeuf, Adria C. A1 - Dascalu, Andrei A1 - Sponsler, Douglas B. A1 - Azuma, Fumika A1 - Economo, Evan P. A1 - Waridel, Patrice A1 - Engel, Philipp A1 - Schmitt, Thomas A1 - Keller, Laurent T1 - Targeted treatment of injured nestmates with antimicrobial compounds in an ant society JF - Nature Communications N2 - Infected wounds pose a major mortality risk in animals. Injuries are common in the ant Megaponera analis, which raids pugnacious prey. Here we show that M. analis can determine when wounds are infected and treat them accordingly. By applying a variety of antimicrobial compounds and proteins secreted from the metapleural gland to infected wounds, workers reduce the mortality of infected individuals by 90%. Chemical analyses showed that wound infection is associated with specific changes in the cuticular hydrocarbon profile, thereby likely allowing nestmates to diagnose the infection state of injured individuals and apply the appropriate antimicrobial treatment. This study demonstrates that M. analis ant societies use antimicrobial compounds produced in the metapleural glands to treat infected wounds and reduce nestmate mortality. KW - animal behaviour KW - chemical ecology KW - entomology KW - microbial ecology KW - proteomics Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358081 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Değirmenci, Laura A1 - Rogé Ferreira, Fabio Luiz A1 - Vukosavljevic, Adrian A1 - Heindl, Cornelia A1 - Keller, Alexander A1 - Geiger, Dietmar A1 - Scheiner, Ricarda T1 - Sugar perception in honeybees JF - Frontiers in Physiology N2 - Honeybees (Apis mellifera) need their fine sense of taste to evaluate nectar and pollen sources. Gustatory receptors (Grs) translate taste signals into electrical responses. In vivo experiments have demonstrated collective responses of the whole Gr-set. We here disentangle the contributions of all three honeybee sugar receptors (AmGr1-3), combining CRISPR/Cas9 mediated genetic knock-out, electrophysiology and behaviour. We show an expanded sugar spectrum of the AmGr1 receptor. Mutants lacking AmGr1 have a reduced response to sucrose and glucose but not to fructose. AmGr2 solely acts as co-receptor of AmGr1 but not of AmGr3, as we show by electrophysiology and using bimolecular fluorescence complementation. Our results show for the first time that AmGr2 is indeed a functional receptor on its own. Intriguingly, AmGr2 mutants still display a wildtype-like sugar taste. AmGr3 is a specific fructose receptor and is not modulated by a co-receptor. Eliminating AmGr3 while preserving AmGr1 and AmGr2 abolishes the perception of fructose but not of sucrose. Our comprehensive study on the functions of AmGr1, AmGr2 and AmGr3 in honeybees is the first to combine investigations on sugar perception at the receptor level and simultaneously in vivo. We show that honeybees rely on two gustatory receptors to sense all relevant sugars. KW - AmGr1 KW - AmGr2 KW - AmGr3 KW - sugar responsiveness KW - proboscis extension response (PER) KW - gustatory receptors (Grs) KW - honeybee taste perception Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-302284 SN - 1664-042X VL - 13 ER - TY - THES A1 - Değirmenci [née Pölloth], Laura T1 - Sugar perception and sugar receptor function in the honeybee (\(Apis\) \(mellifera\)) T1 - Zuckerwahrnehmung und Zuckerrezeptorfunktion in der Honigbiene (\(Apis\) \(mellifera\)) N2 - In the eusocial insect honeybee (Apis mellifera), many sterile worker bees live together with a reproductive queen in a colony. All tasks of the colony are performed by the workers, undergoing age-dependent division of labor. Beginning as hive bees, they take on tasks inside the hive such as cleaning or the producing of larval food, later developing into foragers. With that, the perception of sweetness plays a crucial role for all honeybees whether they are sitting on the honey stores in the hive or foraging for food. Their ability to sense sweetness is undoubtedly necessary to develop and evaluate food sources. Many of the behavioral decisions in honeybees are based on sugar perception, either on an individual level for ingestion, or for social behavior such as the impulse to collect or process nectar. In this context, honeybees show a complex spectrum of abilities to perceive sweetness on many levels. They are able to perceive at least seven types of sugars and decide to collect them for the colony. Further, they seem to distinguish between these sugars or at least show clear preferences when collecting them. Additionally, the perception of sugar is not rigid in honeybees. For instance, their responsiveness towards sugar changes during the transition from in-hive bees (e.g. nurses) to foraging and is linked to the division of labor. Other direct or immediate factors changing responsiveness to sugars are stress, starvation or underlying factors, such as genotype. Interestingly, the complexity in their sugar perception is in stark contrast to the fact that honeybees seem to have only three predicted sugar receptors. In this work, we were able to characterize the three known sugar receptors (AmGr1, AmGr2 and AmGr3) of the honeybee fully and comprehensively in oocytes (Manuscript II, Chapter 3 and Manuscript III, Chapter 4). We could show that AmGr1 is a broad sugar receptor reacting to sucrose, glucose, maltose, melezitose and trehalose (which is the honeybees’ main blood sugar), but not fructose. AmGr2 acts as its co-receptor altering AmGr1’s specificity, AmGr3 is a specific fructose receptor and we proved the heterodimerization of all receptors. With my studies, I was able to reproduce and compare the ligand specificity of the sugar receptors in vivo by generating receptor mutants with CRISPR/Cas9. With this thesis, I was able to define AmGr1 and AmGr3 as the honeybees’ basis receptors already capable to detect all sugars of its known taste spectrum. In the expression analysis of my doctoral thesis (Manuscript I, Chapter 2) I demonstrated that both basis receptors are expressed in the antennae and the brain of nurse bees and foragers. This thesis assumes that AmGr3 (like the Drosophila homologue) functions as a sensor for fructose, which might be the satiety signal, while AmGr1 can sense trehalose as the main blood sugar in the brain. Both receptors show a reduced expression in the brain of foragers when compared with nurse bees. These results may reflect the higher concentrated diet of nurse bees in the hive. The higher number of receptors in the brain may allow nurse bees to perceive hunger earlier and to consume the food their sitting on. Forager bees have to be more persistent to hunger, when they are foraging, and food is not so accessible. The findings of reduced expression of the fructose receptor AmGr3 in the antennae of nurse bees are congruent with my other result that nurse bees are also less responsive to fructose at the antennae when compared to foragers (Manuscript I, Chapter 2). This is possible, since nurse bees sit more likely on ripe honey which contains not only higher levels of sugars but also monosaccharides (such as fructose), while foragers have to evaluate less-concentrated nectar. My investigations of the expression of AmGr1 in the antennae of honeybees found no differences between nurse bees and foragers, although foragers are more responsive to the respective sugar sucrose (Manuscript I, Chapter 2). Considering my finding that AmGr2 is the co-receptor of AmGr1, it can be assumed that AmGr1 and the mediated sucrose taste might not be directly controlled by its expression, but indirectly by its co-receptor. My thesis therefore clearly shows that sugar perception is associated with division of labor in honeybees and appears to be directly or indirectly regulated via expression. The comparison with a characterization study using other bee breeds and thus an alternative protein sequence of AmGr1 shows that co-expression of different AmGr1 versions with AmGr2 alters the sugar response differently. Therefore, this thesis provides first important indications that alternative splicing could also represent an important regulatory mechanism for sugar perception in honeybees. Further, I found out that the bitter compound quinine lowers the reward quality in learning experiments for honeybees (Manuscript IV, Chapter 5). So far, no bitter receptor has been found in the genome of honeybees and this thesis strongly assumes that bitter substances such as quinine inhibit sugar receptors in honeybees. With this finding, my work includes other molecules as possible regulatory mechanism in the honeybee sugar perception as well. We showed that the inhibitory effect is lower for fructose compared to sucrose. Considering that sugar signals might be processed as differently attractive in honeybees, this thesis concludes that the sugar receptor inhibition via quinine in honeybees might depend on the receptor (or its co-receptor), is concentration-dependent and based on the salience or attractiveness and concentration of the sugar present. With my thesis, I was able to expand the knowledge on honeybee’s sugar perception and formulate a complex, comprehensive overview. Thereby, I demonstrated the multidimensional mechanism that regulates the sugar receptors and thus the sugar perception of honeybees. With this work, I defined AmGr1 and AmGr3 as the basis of sugar perception and enlarged these components to the co-receptor AmGr2 and the possible splice variants of AmGr1. I further demonstrated how those sugar receptor components function, interact and that they are clearly involved in the division of labor in honeybees. In summary, my thesis describes the mechanisms that enable honeybees to perceive sugar in a complex way, even though they inhere a limited number of sugar receptors. My data strongly suggest that honeybees overall might not only differentiate sugars and their diet by their general sweetness (as expected with only one main sugar receptor). The found sugar receptor mechanisms and their interplay further suggest that honeybees might be able to discriminate directly between monosaccharides and disaccharides or sugar molecules and with that their diet (honey and nectar). N2 - Beim dem eusozialen Insekt Honigbiene (Apis mellifera) leben tausende sterile Arbeitsbienen zusammen mit einer fortpflanzungsfähigen Königin in einem Volk. Alle Aufgaben in der Kolonie werden von diesen Arbeiterinnen erledigt, während sie eine altersabhängige Arbeitsteilung durchlaufen. Als Stockbienen beginnend übernehmen sie Aufgaben im Stock wie die Reinigung oder die Produktion von Larvenfutter und entwickeln sich später zu Sammlerinnen. Das Wahrnehmung von Süße spielt für alle Honigbienen eine entscheidende Rolle, egal ob sie auf den Honigvorräten im Stock sitzen oder nach Nahrung suchen. Ihre Fähigkeit Süße zu wahrzunehmen ist zweifellos notwendig, um Nahrungsquellen zu identifizieren und zu bewerten. Viele der Verhaltensentscheidungen bei Honigbienen basieren auf ihrer Zuckerwahrnehmung, entweder auf individueller Ebene für die Nahrungsaufnahme oder für soziales Verhalten wie beispielsweise das Sammeln oder Verarbeiten von Nektar. Honigbienen zeigen auf vielen Ebenen ein komplexes Spektrum bei der Wahrnehmung von Süße. Sie können mindestens sieben Zuckerarten wahrnehmen und sammeln diese für ihren Stock. Darüber hinaus scheinen sie zwischen diesen Zuckern unterscheiden zu können oder zeigen zumindest klare Präferenzen beim Sammeln. Außerdem ist die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen nicht starr. Ihre Zuckerwahrnehmung ändert sich, wenn sie von einer Stockbiene (z. B. Ammen) zum Nahrungssammeln außerhalb des Stockes übergehen, und ist somit mit ihrer Arbeitsteilung verbunden. Andere direkte oder unmittelbare Faktoren, die die Reaktion auf Zucker verändern, sind Stress, Hunger oder zugrunde liegende Faktoren wie der Genotyp. Interessanterweise steht die Komplexität der Zuckerwahrnehmung in starkem Kontrast zu der Tatsache, dass Honigbienen bisher anscheinend nur drei mögliche Zuckerrezeptoren haben. In dieser Arbeit konnten wir die drei bekannten Honigbienenzuckerrezeptoren (AmGr1, AmGr2 und AmGr3) in Xenopus-Oozyten vollständig und umfassend charakterisieren (Manuscript II, Chapter 3 und Manuscript III, Chapter 4). Wir konnten zeigen, dass AmGr1 ein breitdetektierender Zuckerrezeptor ist, der auf Saccharose, Glukose, Maltose, Melezitose und Trehalose (der Hauptblutzucker bei Honigbienen), aber nicht auf Fruktose reagiert. AmGr2 fungiert als ein Co-Rezeptor, der die Spezifität von AmGr1 verändert. AmGr3 ist ein spezifischer Fruktoserezeptor und wir haben die Heterodimerisierung der Rezeptoren überprüft. Mit meinen Studien konnte ich die gefundene Ligandenspezifität der Zuckerrezeptoren in vivo reproduzieren und vergleichen, indem ich Rezeptormutanten mit CRISPR/Cas9 generierte. Dabei konnte ich AmGr1 und AmGr3 als die Basisrezeptoren von Honigbienen definieren, die bereits alle Zucker ihres bekannten Geschmacksspektrums detektieren können. In der Expressionsanalyse meiner Doktorarbeit (Manuscript I, Chapter 2) konnte ich zeigen, dass beide Basisrezeptoren in den Antennen und im Gehirn von Ammenbienen und Sammlerinnen exprimiert werden. Diese Arbeit geht davon aus, dass AmGr3 (wie das Homologe in Drosophila) als Sensor für Fruktose fungiert, die das Sättigungssignal sein könnte, während AmGr1 Trehalose als Hauptblutzucker im Gehirn wahrnehmen kann. Beide Rezeptoren zeigen eine reduzierte Expression im Gehirn von Sammlerinnen im Vergleich zu Ammenbienen. Diese Ergebnisse könnten die höher konzentrierte Ernährung der Ammenbienen im Stock widerspiegeln. Die höhere Anzahl an Rezeptoren im Gehirn könnte es den Ammenbienen ermöglichen frühzeitiger Hunger wahrzunehmen und die Nahrung, auf der sie sitzen aufzunehmen. Sammelbienen dagegen müssen beim Sammeln und dem reduzierten Nahrungsangebot ausdauernder sein. Die gemessene reduzierte Expression des Fruktoserezeptors AmGr3 in den Antennen von Ammenbienen entsprechen meinen anderen Ergebnissen, wonach Ammenbienen im Vergleich zu Sammelbienen an den Antennen auch weniger empfindlich auf Fruktose reagieren (Manuscript I, Chapter 2). Dies ist möglich, da Ammenbienen eher auf reifem Honig sitzen, der nicht nur einen höheren Zuckergehalt, sondern auch vermehrt Monosaccharide (wie Fructose) enthält, während Sammelbienen weniger konzentrierten Nektar bewerten müssen. Meine Untersuchungen zur Expression von AmGr1 in den Antennen von Honigbienen ergaben keine Unterschiede zwischen Ammenbienen und Sammlerinnen, obwohl Sammlerinnen empfindlicher auf den entsprechenden Zucker Saccharose reagieren. Angesichts unserer Ergebnisse, dass AmGr2 der Co-Rezeptor von AmGr1 ist, kann die Hypothese aufgestellt werden, dass AmGr1 und der vermittelte Saccharose-Geschmack möglicherweise nicht direkt durch seine Expression, sondern indirekt durch seinen Co-Rezeptor reguliert werden. Meine Dissertation zeigt somit deutlich, dass die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen mit Arbeitsteilung verbunden ist und direkt oder indirekt über die Expression geregelt zu werden scheint. Der Vergleich mit einer anderen Charakterisierungsstudie, durchgeführt an anderen Bienenrassen und damit einer alternativen Proteinsequenz von AmGr1, zeigt, dass die Co-Expression verschiedener AmGr1-Varianten mit AmGr2 die Zuckerantwort unterschiedlich verändert. Daher liefert diese Arbeit erste wichtige Hinweise darauf, dass alternatives Spleißen auch bei Honigbienen einen wichtigen Regulationsmechanismus für die Zuckerwahrnehmung darstellen könnte. Des Weiteren habe ich herausgefunden, dass der Bitterstoff Chinin die Qualität der Belohnung in Lernexperimenten für Honigbienen senkt (Manuscript IV, Chapter 5). Bisher wurde kein Bitterrezeptor im Genom von Honigbienen gefunden und diese Arbeit deutet darauf hin, dass Bitterstoffe wie Chinin Zuckerrezeptoren in Honigbienen hemmen. Mit dieser Erkenntnis schließt meine Dissertation auch andere Moleküle als mögliche Regulationsmechanismen in die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene ein. Wir haben gezeigt, dass die hemmende Wirkung bei Fruktose im Vergleich zu Saccharose geringer ist. Unter der Berücksichtigung, dass Zuckersignale bei Honigbienen möglicherweise unterschiedlich attraktiv verarbeitet werden, kommt meine Arbeit zu dem Schluss, dass die Hemmung der Zuckerrezeptoren durch Chinin bei Honigbienen abhängig ist von der verwendeten Konzentration, der Bedeutung bzw. Attraktivität des Zuckers und seiner Konzentration. Mit meiner Doktorarbeit konnte ich das Wissen über die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene insgesamt erweitern und einen komplexen, umfassenden Überblick formulieren. Ich konnte den mehrdimensionalen Mechanismus aufzeigen, der die Zuckerrezeptoren und damit die Zuckerwahrnehmung von Honigbienen reguliert. Ich konnte AmGr1 und AmGr3 als Basis der Zuckerwahrnehmung definieren und diese Komponenten auf den Co-Rezeptor AmGr2 und die möglichen Spleißvarianten von AmGr1 erweitern. Ich habe außerdem gezeigt, wie diese Zuckerrezeptorkomponenten funktionieren, interagieren, und dass sie eindeutig an der Arbeitsteilung bei Honigbienen beteiligt sind. Zusammenfassend beschreibt meine Dissertation die Mechanismen, die es Honigbienen ermöglichen, Zucker auf komplexe Weise wahrzunehmen, selbst wenn sie eine begrenzte Anzahl von Zuckerrezeptoren besitzen. Meine Daten deuten stark darauf hin, dass Honigbienen Zucker und ihre Nahrung nicht nur aufgrund ihrer generellen Süße unterscheiden können (wie dies mit nur einem Hauptzuckerrezeptor zu erwarten wäre). Die gefundenen Zuckerrezeptormechanismen und deren Zusammenspiel legen nahe, dass Honigbienen möglicherweise direkt zwischen Monosacchariden und Disacchariden bzw. Zuckermolekülen und damit zwischen ihrer Nahrung (Honig und Nektar) unterscheiden können. KW - Biene KW - Apis mellifera KW - responsiveness KW - honeybee KW - sugar receptor KW - sugar perception (fructose, sucrose) KW - AmGr1, AmGr2, AmGr3 KW - PER KW - division of labor KW - CRISPR/Cas9 KW - bitter taste Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321873 ER - TY - JOUR A1 - Müller, Jörg A1 - Mitesser, Oliver A1 - Schaefer, H. Martin A1 - Seibold, Sebastian A1 - Busse, Annika A1 - Kriegel, Peter A1 - Rabl, Dominik A1 - Gelis, Rudy A1 - Arteaga, Alejandro A1 - Freile, Juan A1 - Leite, Gabriel Augusto A1 - de Melo, Tomaz Nascimento A1 - LeBien, Jack A1 - Campos-Cerqueira, Marconi A1 - Blüthgen, Nico A1 - Tremlett, Constance J. A1 - Böttger, Dennis A1 - Feldhaar, Heike A1 - Grella, Nina A1 - Falconí-López, Ana A1 - Donoso, David A. A1 - Moriniere, Jerome A1 - Buřivalová, Zuzana T1 - Soundscapes and deep learning enable tracking biodiversity recovery in tropical forests JF - Nature Communications N2 - Tropical forest recovery is fundamental to addressing the intertwined climate and biodiversity loss crises. While regenerating trees sequester carbon relatively quickly, the pace of biodiversity recovery remains contentious. Here, we use bioacoustics and metabarcoding to measure forest recovery post-agriculture in a global biodiversity hotspot in Ecuador. We show that the community composition, and not species richness, of vocalizing vertebrates identified by experts reflects the restoration gradient. Two automated measures – an acoustic index model and a bird community composition derived from an independently developed Convolutional Neural Network - correlated well with restoration (adj-R² = 0.62 and 0.69, respectively). Importantly, both measures reflected composition of non-vocalizing nocturnal insects identified via metabarcoding. We show that such automated monitoring tools, based on new technologies, can effectively monitor the success of forest recovery, using robust and reproducible data. KW - animal behaviour KW - conservation biology Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358130 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Kaltdorf, Martin A1 - Breitenbach, Tim A1 - Karl, Stefan A1 - Fuchs, Maximilian A1 - Kessie, David Komla A1 - Psota, Eric A1 - Prelog, Martina A1 - Sarukhanyan, Edita A1 - Ebert, Regina A1 - Jakob, Franz A1 - Dandekar, Gudrun A1 - Naseem, Muhammad A1 - Liang, Chunguang A1 - Dandekar, Thomas T1 - Software JimenaE allows efficient dynamic simulations of Boolean networks, centrality and system state analysis JF - Scientific Reports N2 - The signal modelling framework JimenaE simulates dynamically Boolean networks. In contrast to SQUAD, there is systematic and not just heuristic calculation of all system states. These specific features are not present in CellNetAnalyzer and BoolNet. JimenaE is an expert extension of Jimena, with new optimized code, network conversion into different formats, rapid convergence both for system state calculation as well as for all three network centralities. It allows higher accuracy in determining network states and allows to dissect networks and identification of network control type and amount for each protein with high accuracy. Biological examples demonstrate this: (i) High plasticity of mesenchymal stromal cells for differentiation into chondrocytes, osteoblasts and adipocytes and differentiation-specific network control focusses on wnt-, TGF-beta and PPAR-gamma signaling. JimenaE allows to study individual proteins, removal or adding interactions (or autocrine loops) and accurately quantifies effects as well as number of system states. (ii) Dynamical modelling of cell–cell interactions of plant Arapidopsis thaliana against Pseudomonas syringae DC3000: We analyze for the first time the pathogen perspective and its interaction with the host. We next provide a detailed analysis on how plant hormonal regulation stimulates specific proteins and who and which protein has which type and amount of network control including a detailed heatmap of the A.thaliana response distinguishing between two states of the immune response. (iii) In an immune response network of dendritic cells confronted with Aspergillus fumigatus, JimenaE calculates now accurately the specific values for centralities and protein-specific network control including chemokine and pattern recognition receptors. KW - cellular signalling networks KW - computer modelling Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-313303 VL - 13 ER - TY - JOUR A1 - Maihoff, Fabienne A1 - Friess, Nicolas A1 - Hoiss, Bernhard A1 - Schmid‐Egger, Christian A1 - Kerner, Janika A1 - Neumayer, Johann A1 - Hopfenmüller, Sebastian A1 - Bässler, Claus A1 - Müller, Jörg A1 - Classen, Alice T1 - Smaller, more diverse and on the way to the top: Rapid community shifts of montane wild bees within an extraordinary hot decade JF - Diversity and Distributions N2 - Aim Global warming is assumed to restructure mountain insect communities in space and time. Theory and observations along climate gradients predict that insect abundance and richness, especially of small‐bodied species, will increase with increasing temperature. However, the specific responses of single species to rising temperatures, such as spatial range shifts, also alter communities, calling for intensive monitoring of real‐world communities over time. Location German Alps and pre‐alpine forests in south‐east Germany. Methods We empirically examined the temporal and spatial change in wild bee communities and its drivers along two largely well‐protected elevational gradients (alpine grassland vs. pre‐alpine forest), each sampled twice within the last decade. Results We detected clear abundance‐based upward shifts in bee communities, particularly in cold‐adapted bumble bee species, demonstrating the speed with which mobile organisms can respond to climatic changes. Mean annual temperature was identified as the main driver of species richness in both regions. Accordingly, and in large overlap with expectations under climate warming, we detected an increase in bee richness and abundance, and an increase in small‐bodied species in low‐ and mid‐elevations along the grassland gradient. Community responses in the pre‐alpine forest gradient were only partly consistent with community responses in alpine grasslands. Main Conclusion In well‐protected temperate mountain regions, small‐bodied bees may initially profit from warming temperatures, by getting more abundant and diverse. Less severe warming, and differences in habitat openness along the forested gradient, however, might moderate species responses. Our study further highlights the utility of standardized abundance data for revealing rapid changes in bee communities over only one decade. KW - Alps KW - altitudinal gradient KW - body size KW - climate change KW - global warming KW - hymenoptera KW - pollinator KW - range shifts Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312126 VL - 29 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Meiser, Elisabeth T1 - Single-molecule dynamics at a bottleneck: a systematic study of the narrow escape problem in a disc T1 - Einzelmoleküldynamik an einem Engpass: Eine systematische Untersuchung des Narrow Escape Problems in einer Scheibe N2 - Diffusion facilitates numerous reactions within the biological context of a cell. It is remarkable how the cost-efficient random process of Brownian motion promotes fast reactions. From the narrow escape theory, it is possible to determine the mean first passage time of such processes based on their reaction space and diffusion coefficient. The narrow escape theory of Brownian particles is characterized by a confining domain with reflective boundaries and a small reaction site. In this thesis, the mean first passage time was systematically tested in a disc as a function of the escape opening size in vitro and in silico. For the in vitro experiments, a model system of patterned supported-lipid bilayers (SLB) was established. Such a model is prepared by a combined colloid metalization approach, where a gold scaffold on glass facilitates assembly of SLB patches of distinct sizes through vesicle fusion. The model setup was evaluated and found to match all necessary requirements to test the nar- row escape problem in vitro. In particular, the reflectivity of the boundaries, the unhindered, free diffusion of the tracer lipids, and the distinct area were assessed. Observed results of the mean first passage time agreed with the theory of the narrow escape problem. There was excellent agreement in both absolute values and across a range of small escape opening sizes. Additionally, I developed a straightforward method, a correction factor, to calculate the mean first passage time from incomplete experimental traces. By re-scaling the mean first passage time to the fraction of particles that escaped, I was able to overcome the lifetime limitations of fluorescent probes. Previously inaccessible measurements of the mean first passage time relying on fluorescent probes will be made possible through this approach. The in vitro experiments were complemented with various in silico experiments. The latter were based on random walk simulations in discs, mimicking the in vitro situation with its uncertainties. The lifetime of single particles was either set sufficiently long to allow all particles to escape, or was adjusted to meet the lifetime limitations observed in the in vitro experiments. A comparison of the mean first passage time from lifetime-unlimited particles to the corrected, lifetime-limited particles did support the use of the correction factor. In agreement with the narrow escape theory, it was experimentally found that the mean first passage time is independent of the start point of the particle within the domain. This is when the particle adheres to a minimum distance to the escape site. In general, the presented random walk simulations do accurately represent the in vitro experiments in this study. The required hardware for the establishment of an astigmatism-based 3D system was installed in the existing microscope. The first attempts to analyze the obtained 3D imaging data gave insight into the potential of the method to investigate molecule dynamics in living trypanosome cells. The full functionality will be realized with the ongoing improvement of image analysis outside of this thesis. N2 - Diffusion erleichtert zahlreiche Reaktionen im biologischen Kontext einer Zelle. Es ist bemerkenswert, wie der kosteneffiziente Zufallsprozess der Brownschen Bewegung schnelle Reaktionen fördert. Mit Hilfe der Narrow Escape Theorie kann die mittlere erste Durchgangszeit (mean first passage time) solcher Prozesse auf der Grundlage ihres Reaktionsraums und des Diffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Narrow Escape Theorie von Brownschen Teilchen wird durch einen begrenzten Bereich mit reflektierenden Grenzen und einen kleinen Reaktionsraum gekennzeichnet. In dieser Arbeit wurde die mittlere erste Durchgangszeit in einer Scheibe systematisch als Funktion der Größe der Fluchtöffnung in vitro und in silico untersucht. Fur die in vitro-Experimente wurde ein Modellsystem aus strukturierten, Glas gestützten Lipiddoppelschichten (SLB) erstellt. Dieses Modell wurde durch einen kombinierten Kolloid-Metallisierungsansatz hergestellt, bei dem eine strukturierte Goldschicht auf Glas die Bildung von SLB-Scheiben unterschiedlicher Größe durch die Vesikelfusion ermöglicht. Es wurde festgestellt, dass das Modell alle Anforderungen erfüllt, um das Narrow escape problem in vitro zu testen. Insbesondere wurde das Reflexionsvermögen der Grenzen, die ungehinderte, freie Diffusion der Lipide und die Präzision der Fläche bewertet. Die beobachteten Ergebnisse der mittleren ersten Durchgangszeit stimmen mit der NEP-Theorie ̈uberein. Es besteht eine hervorragende ̈Ubereinstimmung sowohl bei den absoluten Werten als auch systematisch ̈uber einen Bereich von kleinen Fluchtöffnungsgrößen. Außerdem zeige ich eine einfache Methode, einen Korrekturfaktor, zur Berechnung der mittleren ersten Durchgangszeit aus unvollstandigen Lipid Trajektorien des Experimentes. Indem ich die mittlere erste Durchgangszeit auf den Anteil der entkommenen Par- tikel skalierte, konnte ich die Einschränkungen der Lebensdauer von fluoreszenten Farbstoffen ausgleichen. Mit dieser Technik werden bisher unzugängliche Messungen der mittleren ersten Durchgangszeit auf der Grundlage von fluoreszenten Farbstoffen möglich. In einem umfassenden Ansatz wurden die in vitro-Experimente durch verschiedene in silico-Experimente ergänzt. Letztere basierten auf Random- Walk-Simulationen in Scheiben, die die in vitro-Situation mit ihren Unsicherheiten nachahmten. Die Lebensdauer einzelner Partikel wurde entweder so lang angesetzt, dass alle Partikel entkommen konnten, oder sie wurde so angepasst, dass sie den in den in vitro-Experimenten beobachteten Lebensdauerbeschränkungen entsprach. Ein Vergleich der mittleren ersten Durchgangszeit von unsterblichen Partikeln mit den korrigierten, lebensdauerbegrenzten Partikeln hat die Verwendung des Korrekturfaktors bestätigt. In ̈Ubereinstimmung mit der Narrow Escape Theorie wurde experimentell festgestellt, dass die mittlere erste Durchgangszeit unabhängig vom Startpunkt des Teilchens innerhalb der Domäne ist. Dies ist dann der Fall, wenn das Teilchen einen Mindestabstand zur Austrittsstelle einhält. Im Allgemeinen bilden die vorgestellten Random-Walk-Simulationen die in dieser Studie durchgeführten Experimente genau ab. Die erforderliche Hardware für die Einrichtung eines auf Astigmatismus basierenden 3D-Systems wurde in ein vorhandenes Mikroskop eingebaut. Erste Versuche, die gewonnenen 3D-Bilddaten zu analysieren, gaben einen Einblick in das Potenzial der Methode zur Untersuchung der Moleküldynamik im lebenden Trypanosom. Die volle Funktionalität wird mit der laufenden Verbesserung der Bildanalyse außerhalb dieser Arbeit realisiert werden. Ein Teil der Ergebnisse und Methoden dieser Dissertation wurde zur Veröffentlichung unter dem Titel ’Experiments in micro-patterned model membranes support the narrow escape theory’ eingereicht. KW - Freies Molekül KW - Kolloid KW - Bimolekulare Lipidschicht KW - Mikroskopie KW - Brownsche Bewegung KW - Narrow escape problem KW - mean first passage time KW - single-molecule localization microscopy KW - single particle tracking KW - Random-walk simulations Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319650 ER -