Entwicklung Metabolom-basierter Methoden für die Identifizierung von Biomarkern

In the first part of the thesis a metabolomics approach was undertaken for the identification of biomarkers in human urine indicating a urinary tract infection (UTI). For this purpose, the urine of 44 patients suffering from UTI and 48 healthy persons was analyzed for their metabolite composition using LC-MS analysis. For the accurate identification of metabolites indicative of UTI the statistical approach for LC-MS data interpretation had to be optimized. For this purpose, a prognostic model was developed and the relation between the metabolite level and the infection status was calculated by multiple linear regression analysis with the least squares method separately for each metabolite. Utilization of this novel data interpretation approach led to identification of thieno-(2,3-c) pyridine and heneicosanoyl-glycero-3-phospho-(1’-glycerol) as metabolites safely indicating UTIs. In a second project, software used for putative biomarker annotation, four in silico fragmentation tools (MetFragCL, CFM-ID, MAGMa+ and MS-Finder) and their performance was addressed on a Critical Assessment of Small Molecule Identification (CASMI) 2016 dataset. Pure in silico algorithms only identified 17% of the compounds correctly. The voting/consensus model developed for this purpose slightly improved the results to 22%. Once the database and MS/MS search was added the algorithm was able to correctly identify 87-93% of the unknown compounds as the first hit, showing the importance of ranking and database queries. These results confirmed that voting/consensus models can be used for real-world applications. Our software will also allow for automatic testing and performance tuning without user interaction. In a third project, metabolomic profiling was performed on plasma samples obtained in a previously published parallel randomized controlled study by Kox et.al., 2013. Metabolic signatures revealed altered lipid, protein and central metabolism in both intervention and control group as a response to endotoximia and breathing techniques. Overall, obtained results underscore the increasing power and relevance of metabolomics in biomedical research and diagnosis.Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Metabolom Analyse zur Identifikation von Biomarkern in humanem Urin, welche auf eine Harnwegsinfektion (HWI) hinweisen, durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden Urinproben von 44 an HWI leidenden und 48 gesunde Personen auf die Komposition ihrer Metabolite mittels LC-MS analysiert. Um eine korrekte Identifikation der auf HWI hindeutenden Metabolite zu gewährleisten musste die statistische Herangehensweise der LC-MS Dateninterpretation optimiert werden. Zu diesem Zweck wurde ein prognostisches Model entwickelt, bei welchem die Beziehung zwischen der Metabolit Konzentration und dem Stand der Infektion mit Hilfe linearer Regressionsanalyse mit der Kleinstquadratmethode individuell für jedes Metabolit ermittelt werden konnte. Die Anwendung dieses neu entwickelten Datenanalysesystems führte zur Identifikation von Thieno-(2,3-c) Pyridin und Heneicosanoyl-glycero-3-phosphp-(1´-glycerol) als Metabolite für die sichere Identifikation einer HWI. In einem zweiten Projekt wurde eine Software zur Annotation potentieller Biomarker und vier in silico Fragmentierungstools (MetFragCL, CFM-ID, MAGMa+ und MS-Finder) nach ihrer Performanz durch die Anwendung auf ein Critical Assessment of Small Molecule Identification (CASMI) 2016 Datenset beurteilt. Die in silico Algorithmen alleine haben 17 % der Komponenten korrekt identifiziert. Ein entwickeltes "voting/consensus" Model erzielte eine Verbesserung der Ergebnisse auf 22%. Die zusätzliche Integration einer Datenbank und MS/MS Suche verbesserte die korrekte Identifikation unbekannter Komponenten mittels der Algorithmen auf 87-93% für den ersten Treffer. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass das "voting/consensus" Model für reale Anwendungen genutzt werden kann. Zudem erlaubt unsere entwickelte Software sowohl automatisierte Tests als auch eine automatisierte Performanzverbesserung. In einem dritten Projekt wurde ein metabolisches Profiling an Plasmaproben durchgeführt, welche im Rahmen einer parallel randomisierten kontrollierten Studie von Kox et al. 2013 gesammelt wurden. Diese Analyse des Metaboloms zeigte eine veränderte Komposition der Lipide, Proteine und Metabolite des zentralen Stoffwechsels sowohl in der Interventions- als auch in der Kontrollgruppe als Reaktion auf Endotoxämie und Atemmethoden. Zusammenfassend verdeutlichen die gewonnenen Erkenntnisse die zunehmende Bedeutung und Relevanz von Metabolom Analysen in der biomedizinischen Forschung und Diagnose

Gemeinschaftsökologie und Diversität tropischer Kaulquappen

Two of the central questions of community ecology are whether there are forces influencing diversity and composition of species communities and which measure of diversity provides useful information on a community. Communities of tropical regions, such as the world’s most species rich tadpole communities from Madagascar, are attractive models to face these questions. In two consecutive wet seasons and a dry season (2007-2008) we have repeatedly sampled >30 communities and identified species by DNA barcoding. We analysed patterns of species richness and composition and their correlations with environmental variables. We also tested the performance of three measures of diversity (species richness [SR], functional diversity [FD], and phylogenetic diversity [PD]) also with special focus on seasonality. These measures were used to test whether environmental filters or competition are of importance for tropical stream tadpole communities. We could show that Madagascan streams are of outstanding importance for frog reproduction. Species richness (up to 22 species per community) mainly depended on stream (tadpole) habitat and not on forest (adult) habitat. However, species composition was largely determined by forest characteristics. We could show that during the wet season communities are characterised by functional redundancy and weak low FD. The latter points out that environmental filters may act on communities. In contrast, the less species rich communities of the dry season show a strong pattern of high FD (species less similar than expected). They are shaped by competition. Analyses using PD revealed a contrasting pattern. During the dry season species are closer related than expected (low PD). We could therefore show that all three applied measures of diversity contain important information and they are not interchangeable. In a rather descriptive chapter, species-species and species-habitat associations of all species and functional species groups are summarised.Das Erkennen von Umweltvariablen, die Artenreichtum und -zusammensetzung von Gemeinschaften beeinflussen und die Suche nach einem Diversitätsmaß, das Artengemeinschaften informativ beschreibt, gehören zu den Kernpunkten der Gemeinschaftsökologie. Als Modellsysteme bieten sich besonders tropische Gemeinschaften an, wie z.B. die artenreichsten Kaulquappengemeinschaften der Welt auf Madagaskar. Von 2007 bis 2008 (Regen- & Trockenzeit) haben wir wiederholt Daten von >30 Gemeinschaften erhoben, wobei Arten mittels DNA-barcoding bestimmt wurden. Wir korrelierten Muster von Artenreichtum und -zusammensetzung mit Umweltvariablen und testeten das Verhalten dreier Diversitätsmaße (Artenreichtum, funktionale Diversität [FD] und phylogenetische Diversität [PD]), wobei besonders Auswirkungen von Saisonalität betrachten wurden. Diese Maße erlauben ebenso Aufschlüsse auf die Bedeutung von Umweltfiltern oder Konkurrenz für die Zusammensetzung tropischer Kaulquappengemeinschaften. Wir konnten zeigen, welch hohe Bedeutung Fließgewässer für die Reproduktion madagassischer Anuren haben. Der Artenreichtum der Gemeinschaft (bis 22 Arten) wurde primär durch Gewässermerkmale bestimmt, während die Artenzusammensetzung auch vom umliegenden Wald (Habitat der Adulten) abhing. Während der Regenzeit wiesen die Gemeinschaften neben funktionaler Redundanz auch Muster niedriger FD auf, was auf die Wirkung von Umweltfiltern hindeutet. Im Gegensatz dazu fanden wir in der Trockenzeit sehr hohe FD: Arten einer Gemeinschaft wahren verschiedener voneinander als erwartet. Hier spielte Konkurrenz eine Rolle. PD wiederum zeigte ein gegenteiliges Muster: Arten waren näher miteinander verwandt als erwartet. Damit konnten wir zeigen, dass alle drei Maße wichtige Informationen bieten und mitnichten untereinander austauschbar sind. In einem eher beschreibenden Kapitel stellen wir Assoziationen von Arten miteinander und Habitatmerkmalen dar

Qualitätskontrolle mittels semantischer Technologien in digitalen Bibliotheken

Controlled content quality especially in terms of indexing is one of the major ad-vantages of using digital libraries in contrast to general Web sources or Web search engines. Therefore, more and more digital libraries offer corpora related to a specialized domain. Beyond simple keyword based searches the resulting infor-mation systems often rely on entity centered searches. For being able to offer this kind of search, a high quality document processing is essential. However, considering today’s information flood the mostly manual effort in ac-quiring new sources and creating suitable (semantic) metadata for content indexing and retrieval is already prohibitive. A recent solution is given by automatic genera-tion of metadata, where mostly statistical techniques like e.g. document classifica-tion and entity extraction currently become more widespread. But in this case neglecting quality assurance is even more problematic, because heuristic genera-tion often fails and the resulting low-quality metadata will directly diminish the quality of service that a digital library provides. Thus, the quality assessment of information system’s metadata annotations used for subsequent querying of collections has to be enabled. In this thesis we discuss the importance of metadata quality assessment for information systems and the benefits gained from controlled and guaranteed quality.Eine kontrollierte Qualität der Metadaten ist einer der wichtigsten Vorteile bei der Verwendung von digitalen Bibliotheken im Vergleich zu Web Suchmaschinen. Auf diesen hochqualitativen Inhalten werden immer mehr fachspezifische Portale durch die digitalen Bibliotheken erzeugt. Die so entstehenden Informationssysteme bieten oftmals neben einer simplen Stichwortsuche auch Objekt zentrierte Suchen an. Um solch eine Objekt-Suche zu ermöglichen, ist aber eine hochqualitative Verarbeitung der zugrunde liegenden Dokumente notwendig. Betrachtet man hingegen die heutige Informationsflut, so stellt man fest, dass der Aufwand für eine manuelle Erschließung von neuen Quellen und die Erzeugung von (semantischen) Metadaten für die Indexierung schon heute unerschwinglich ist. Eine aktuelle Lösung für dieses Problem ist die zumeist automatische Erzeugung von (semantischen) Metadaten, durch statistische Methoden, wie die automatische Dokumenten Klassifizierung Entitäten Extraktion. Aber bei der Verwendung sol-cher Methoden ist die Vernachlässigung der Qualität noch problematischer, da eine heuristische Erzeugung oftmals fehlerbehaftet ist. Diese schlechte Qualität der so erzeugten Metadaten wird dabei direkt die Servicequalität einer digitalen Biblio-thek herabmindern. Somit muss eine Qualitätsbewertung der Metadaten garantiert werden. In dieser Arbeit diskutieren wir die Bedeutung von Metadaten Qualität für Digitale Bibliotheken und die Chancen die aus kontrollierter und garantierter Qua-lität gewonnen werden können

32. Forum Bauinformatik 2021

Das Forum Bauinformatik ist eine jährlich stattfindende Tagung und ein wichtiger Bestandteil der Bauinformatik im deutschsprachigen Raum. Insbesondere Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern bietet es die Möglichkeit, ihre Forschungsarbeiten zu präsentieren, Problemstellungen fachspezifisch zu diskutieren und sich über den neuesten Stand der Forschung zu informieren. Es bietet sich ausgezeichnete Gelegenheit, in die wissenschaftliche Gemeinschaft im Bereich der Bauinformatik einzusteigen und Kontakte mit anderen Forschenden zu knüpfen