Engineering Modularity of Ester Biosynthesis Across Biological Scales

Metabolic engineering and synthetic biology enable controlled manipulation of whole-cell biocatalysts to produce valuable chemicals from renewable feedstocks in a rapid and efficient manner, helping reduce our reliance on the conventional petroleum-based chemical synthesis. However, strain engineering process is costly and time-consuming that developing economically competitive bioprocess at industrial scale is still challenging. To accelerate the strain engineering process, modular cell engineering has been proposed as an innovative approach that harnesses modularity of metabolism for designing microbial cell factories. It is important to understand biological modularity and to develop design principles for effective implementation of modular cell engineering. In this dissertation, the modularity of ester biosynthesis was engineered from the molecular to the microbial community levels. Specifically, three important features of modularity (i.e., robustness, efficiency, and compatibility) were engineered and quantitatively analyzed across different scales. At the molecular (enzymatic) level, thermostability and promiscuity of alcohol acyltransferases were engineered to develop a robust designer ester biosynthesis. At the metabolic network (cellular) level, metabolism of Escherichia coli was rewired to overproduce isoamyl acetate through metabolic engineering and synthetic biology strategies. Also, by harnessing the engineered robust alcohol acyltransferase, a non-model thermophilic bacterium Clostridium thermocellum was engineered to produce medium chain esters directly from recalcitrant lignocellulosic biomass at elevated temperatures. Finally, at the microbial community level, a syntrophic E. coli co-culture was engineered for isobutyl butyrate production from a mixture of glucose and xylose. The successful engineering of the modularity of ester biosynthesis not only sheds light into the modular design principles of biological systems, but also seeks to develop industrially relevant ester production platforms

Polyethylenimine- and lipid- based nanoparticles as gene and drug delivery systems for aerosol therapy to the lung

Inhalt dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung verschiedener polymer- und lipid-basierter nanopartikulärer Formulierungen mit dem Ziel, diese bei der inhalativen Behandlung von Lungenerkrankungen einzusetzen zu können. Eine Reihe von Polyethyleniminen (PEI) wurde auf ihre Verwendbarkeit als nicht-virale biokompatible DNA- Transporter für eine Lungen-Gentherapie untersucht (Kapitel 2-5). Eine weitere Studie (Kapitel 6) verfolgte das Ziel Liposomen zu entwickeln, die für eine kontrollierte Wirkstofffreigabe nach Inhalation geeignet sind. Die Untersuchungen des Kapitels 2 stellen in dieser Dissertation, die Grundlage der Evaluierung von PEI als inhalierbare DNA Transporter zu dienen, dar. Es wurden vier verschiedene PEI-Modifikationen (verzweigtes, lineares, bioabbaubares & Polyethylenglycol-modifiziertes PEI) ausgewählt, die mit plasmidischer DNA (pDNA) Partikel in der Größenordnung von ca. 100 nm formten. Diese so genannten Polyplexe wurden hinsichtlich ihrer strukturellen und physikochemischen Veränderung während der Vernebelung mit einem Düsen- bzw. einem Ultraschallvernebler charakterisiert. Für diese Untersuchungen fanden verschiedene Techniken Anwendung, wie die Rasterkraftmikroskopie, die dynamische Lichtstreuung und die Laser Doppler Anemometrie. Damit konnten die Parameter Polyplex-Morphologie, Größe bzw. Zeta-Potential vor und nach den Vernebelungen bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass die PEI Modifikationen, die am stärksten die pDNA komplexierten, die geringsten Veränderungen während der Vernebelung erfuhren. Dabei hatte das Polyethylenglycol-PEI (PEGPEI) die besten Eigenschaften hinsichtlich, DNA Komplexierung und Schutz bei der Vernebelung. Ein Vergleich der beiden Verneblersysteme ergab, dass alle Polyplexe am stabilsten während der Ultraschallverneblung waren. Als Schlussfolgerung dieser Studie, stellten wir die Ultraschall-Vernebelung als die geeignetere Methode für die Verabreichung von PEI-basierten Gentransfersystemen in die Lunge heraus. Des Weiteren sind die guten Stabilitätseigenschaften des PEGPEI hervorzuheben, auf Grund dessen wir in den darauf folgenden Studien PEGPEI als Vektor, neben dem Standartvektor verzweigtes 25 kDa PEI (BPEI), für die Pulmonale DNA Applikation verwendeten. Das Ziel der zweiten Studie (Kapitel 3) war die Entwicklung eines biokompatiblen und effizienten Systems für den Gentransport in die Lungen Epithelzellen. Dafür wurden zwei PEI Modifikationen verwendet, ein niedermolekulares PEI (LMWPEI) und das schon beschriebene PEGPEI, die mit dem Standart-Vektor BPEI verglichen wurden. Die Untersuchungen der Polyplex Morphologie (Rasterkraftmikroskopie), Größe (Dynamischer Lichtstreuung) und Zeta-Potential (Laser Doppler Anemometrie) zeigten, dass alle drei Polymere die pDNA vollständig kondensierten und mit dieser kleine, positiv geladene Partikel von ca. 100 nm formten. Zur Untersuchung der Polymer-Toxizität in vitro wurden MTT- und LDH-Assays durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass das LMWPEI die beste Biokompatibilität aufweist. Die Transfektionseffizienz der drei verschiedenen Vektoren wurde in vitro an einer Lungenepithelzelllinie und in vivo in Mäuselungen nach intratrachealer Instillation untersucht. Dabei wurde für LMWPEI im Vergleich zu BPEI und PEGPEI in vitro die geringste Genexpression detektiert, während die Transfektionsrate in der Mäuselunge für das LMWPEI am höchsten war. Interessanterweise beobachteten wir für PEGPEI ein genau gegensätzliches Verhalten und die sehr hohe Genexpression in der Zellkultur konnte in den Tierversuchen nicht reproduziert werden. Auf Grund dieser Beobachtungen stellten wir die Hypothese auf, dass eine gute Stabilität der Polyplexe im Mucus, im Surfactant und im Zellplasma, die Transfektion in vivo verändern könnten. Um dies zu untersuchen, wurden die Polyplexe mit Lavagen von Mäuselungen und mit natürlichem Surfactant inkubiert. Es konnte eine abnehmende Stabilität der Polyplexe in der Reihenfolge: PEGPEI > BPEI > LMWPEI beobachtetet werden. Daraus schlussfolgerten wir, dass starke Wechselwirkungen zwischen dem Polymer und der DNA in vivo zu einer schlechteren Freigabe der DNA führt und somit die Transfektionseffizienz verringert. Die Ergebnisse der Studie in Kapitel 3 zeigten, dass mittels LMWPEI im Tiermodel ein biokompatibler und effizienter Genvektor für die Lungentherapie entwickelt werden konnte. Diese viel versprechenden Ergebnisse gaben Anlass zu weiterführenden Studien über die Verträglichkeit von LMWPEI in der Mäuselunge (Kapitel 4). Dazu wurden die Polyplexe von LMWPEI im Vergleich zu BPEI und PEGPEI via Instillation in die Mäuselunge verabreicht und nach 48 Stunden wurden die Lungen lavagiert. Diese Lavagen wurden dann hinsichtlich Entzündungsfaktoren wie Gesamtzellzahl, Anzahl der Neutrophilen und der Makrophagen, Konzentration der Gesamtproteine und der Zytokine untersucht. Dabei wurden sowohl für die pDNA als auch die Polyplexe erhöhte Werte gemessen, diese konnten eingestuft werden in leichte Entzündungen bei der DNA und LMWPEI/DNA, mittlere Lungenentzündung bei BPEI/DNA und starke Lungenentzündung bei PEGPEI/DNA. Die Betrachtung dieser Ergebnisse im Zusammenhang mit den Transfektionsraten führte uns zu der Schlussfolgerung, dass mit zunehmender Toxizität in der Mäuselunge (LMWPEI BPEI > PEGPEI) abnimmt. Folglich wählten wir das LMWPEI für weitergehende Versuche zur Aerosolapplikation in die Lunge aus. Dafür entwickelten wir ein neues Inhalationssystem für Mäuse. Bedauerlicherweise nahmen die Transfektionsraten von LMWPEI/DNA nach der Vernebelung im Vergleich zur Instillation um den Faktor 50 ab. Um den Grund für diese drastische Abnahme zu erkunden, stellten wir Polyplexe her, bei denen sowohl die pDNA als auch das LMWPEI fluoreszenzmarkiert waren und verglichen deren Lungenverteilung nach Instillation mit der nach Inhalation. In den Konfocale Fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der Lungenschnitte zeigte sich, dass die vernebelten Polyplexe gleichmäßig in der Lunge verteilt waren, jedoch in sehr geringen Mengen. Im Gegensatz dazu waren die Polyplexe nach der Instillation in sehr hohen Konzentrationen sowohl in den Bronchien als auch in den Alveolen vorhanden, jedoch wurden nicht alle Abschnitte der Lunge erreicht. Des Weiteren beobachteten wir erstmalig, dass LMWPEI/DNA auch in die Lungenendothelzellen aufgenommen wurde. Zusammenfassend ergibt sich, dass LMWPEI ein sehr effizienter sowie biokompatibler Genvektor für die Lungentherapie ist, und diesbezüglich auch viel bessere Eigenschaften als das häufig eingesetzte BPEI aufweist. In einer weiteren Studie (Kapitel 5) ist die Entwicklung eines neuen Genvektors beschrieben, der mit einem TAT-Peptid (eine Proteintransduktionsdomaine) modifiziert wurde. Dazu wurde das TAT Peptid an BPEI über eine PEG-Kette kovalent gebunden. Dieses neue PEI Konjugat wurde, wie schon die zuvor beschriebenen Vektoren, hinsichtlich Kondensation der pDNA, Schutz der pDNA im extra- und intrazellulärem Lungenmilieu, Polyplexgröße, Stabilität, Zeta-Potential, in vitro und in vivo Transfektionseffizienz sowie Toxizität und Verteilung der Polyplexe in der Mäuselunge untersucht. Unser Ziel war es gewesen, einen nicht toxischen und sehr effizienten Genvektor zu entwickeln. Dies konnte mit dem neuem TAT-PEG-PEI weitgehend erreicht werden. Dieses Konjugat war in der Lage, sehr kleine und stabile Partikel mit pDNA zu formen. In der Mäuselunge wurde für die TAT-PEG-PEI Polyplexe ein Anstieg der Genexpression von ~600 % im Vergleich zu BPEI und ~300 % im Vergleich zu LMWPEI beobachtet. Weiterhin konnten wir eine hervorragende Verträglichkeit in vivo feststellen, und die Werte der Indikatoren eine Entzündungsrektion lagen im Bereich derer von pDNA. Ein weiterer Vorteil von TAT-PEG-PEI war der sichere Transport der pDNA in die verschiedenen Zellentypen der Lunge. Aus diesem Grund könnte dieser neu Genvektor für die Behandlung verschiedener Lungenerkrankungen eingesetzt werden, bei der verschiedenste Zelltypen betroffen sind, wie z.B. beim Lungenkrebs. Das wichtigste Ergebnis dieser vier beschriebenen Studien ist, dass TAT-PEG-PEI undim geringerem Maße auch LMWPEI als gut verträgliche und effiziente Vektoren das Potential besitzen, in der Gentherapie verschiedener Lungenerkrankungen Anwendung zu finden. Selbstverständlich sind weitergehende Studien notwendig, um die zwar geringe aber doch vorhandene Toxizität der Polyplexe weiter zu reduzieren. Dieses Ziel könnte beispielsweise erreicht werden, indem man für die Synthese von TAT-PEG-PEI das LMWPEI oder ein hochsubstituiertes PEGPEI verwendet. Des Weiteren sollte die Aufnahme von TAT-PEG-PEI Polyplexen in die Zelle genauer untersucht werden, da bisher widersprüchliche Studien über die Aufnahme und den Weg des TAT Peptides in der Zelle existieren. Weitergehende Studien hinsichtlich zellspezifischer Genvektoren sollten durchgeführt werden. Es wäre z.B. möglich, das LMWPEI mit einer zielgerichteten Struktur zu modifizieren, wie z.B. Lectin, Folat, einem Antikörper oder Peptiden wie z.B. das RGD. Der nächste Schritt sollte dann darin bestehen, therapeutische Gene (IL-12, p53, NO oder Prostacyclin Produzenten) mittels der optimierten Vektoren TAT-PEG-PEI und LMWPEI in die Lungenzellen zu transportieren. Des Weitern sollte versucht werden, das Vernebelungssystem für die in vivo Versuche zu verbessern, z.B. durch einen so genannten „Trocknenden Spacer“, wie er kürzlich von Rudolph et al. (2005) beschrieben wurde. Die fünfte Studie dieser Arbeit (Kapitel 6) beschreibt lipid-basierte Formulierungen als inhalierbare Drug Delivery Systeme. Der Wirkstoff Iloprost ist zugelassen in der Aerosoltherapie der Arteriellen Pulmonalen Hypertonie. Jedoch ist die Wirksamkeit dieses Stoffes begrenzt durch seine kurze Halbwertszeit. Infolgedessen war das Ziel der Studie die Entwicklung einer Formulierung, die Iloprost über einen verlängerten Zeitraum freisetzt. Solch eine Formulierung sollte beides gewährleisten: eine hohe Wirkstoffverkapselung und Stabilität während der Vernebelung. Dazu wurden verschiedene Lipidkombinationen für die Herstellung von Liposomen untersucht. Zuerst wurde die Modellsubstanz Carboxyfluorescein in Liposomen verkapselt, die aus Dipalmitoyl-phosphatidylcholin (DPPC) und Cholesterol (CH), oder aus DPPC, CH und PEG-dipalmitoyl-phoshatidylethanolamine (DPPE-PEG), bestanden. Die Stabilität dieser Liposomen wurde an drei verschiedenen Verneblern untersucht: Düsen-, Ultraschall- und Mikropumpenvernebler. Diese Systeme wurden hinsichtlich der Menge an produziertem Aerosol, der Aerosoltropfengröße und deren Einfluss auf die Liposomen verglichen. Dabei wurde die Stabilität der Liposomen in Bezug auf Liposomengröße und der Wirkstoffverkapselung, jeweils vor und nach der Vernebelung beurteilt. Es stellte sich heraus, dass die DPPC/CH Liposomen am stabilsten waren, insbesondere nach der Vernebelung mit dem Ultraschall- und dem Mikropumpenverneblern. In einer zweiten Versuchsreihe wurden die Liposomen mit Iloprost beladen. Dabei wurde die höchste Stabilität und Verkapselungseffizienz ebenfalls für die DPPC/CH Liposomen vor allem nach der Mikropumpenverneblung gefunden. Demzufolge schlussfolgerten wir, DPPC/CH Liposomen sind als eine Formulierung mit verlängerter Wirkstofffreigabe in der Behandlung der pulmonalen Hypertonie gut geeignet. Bis dieses Ziel erreicht werden kann, sind jedoch noch viele weiterführende Untersuchungen notwendig, und die hier präsentieren Ergebnisse stellen erst den Grundstein dafür dar. Als nächste Schritte sollten die Aufnahme der Liposomen in Lungenepithelzellen bzw. die Wirkstofffreisetzung untersucht werden, gefolgt von pharmakokinetischen ex vivo Studien. Danach sollte die Wirksamkeit der Iloprost-Liposomen an einem Tiermodel untersucht werden, bei dem, z.B. ausgelöst durch die Haltung in Hypoxie, eine pulmonale Hypertonie besteht. Die neuen Formulierungen und Technologien, die in dieser Dissertation beschrieben sind, stellen zwar nur einen kleinen, aber dennoch wichtigen Fortschritt in der Entwicklung von neuen Therapieformen für die Behandlung von Lungenerkrankungen dar. Derartige Formulierungen geben Anlass zur Hoffnung eines Tages die Behandlung von schwerkranken Patienten deutlich zu verbessern

Polyethylenimine- and lipid- based nanoparticles as gene and drug delivery systems for aerosol therapy to the lung

Inhalt dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung verschiedener polymer- und lipid-basierter nanopartikulärer Formulierungen mit dem Ziel, diese bei der inhalativen Behandlung von Lungenerkrankungen einzusetzen zu können. Eine Reihe von Polyethyleniminen (PEI) wurde auf ihre Verwendbarkeit als nicht-virale biokompatible DNA- Transporter für eine Lungen-Gentherapie untersucht (Kapitel 2-5). Eine weitere Studie (Kapitel 6) verfolgte das Ziel Liposomen zu entwickeln, die für eine kontrollierte Wirkstofffreigabe nach Inhalation geeignet sind. Die Untersuchungen des Kapitels 2 stellen in dieser Dissertation, die Grundlage der Evaluierung von PEI als inhalierbare DNA Transporter zu dienen, dar. Es wurden vier verschiedene PEI-Modifikationen (verzweigtes, lineares, bioabbaubares & Polyethylenglycol-modifiziertes PEI) ausgewählt, die mit plasmidischer DNA (pDNA) Partikel in der Größenordnung von ca. 100 nm formten. Diese so genannten Polyplexe wurden hinsichtlich ihrer strukturellen und physikochemischen Veränderung während der Vernebelung mit einem Düsen- bzw. einem Ultraschallvernebler charakterisiert. Für diese Untersuchungen fanden verschiedene Techniken Anwendung, wie die Rasterkraftmikroskopie, die dynamische Lichtstreuung und die Laser Doppler Anemometrie. Damit konnten die Parameter Polyplex-Morphologie, Größe bzw. Zeta-Potential vor und nach den Vernebelungen bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass die PEI Modifikationen, die am stärksten die pDNA komplexierten, die geringsten Veränderungen während der Vernebelung erfuhren. Dabei hatte das Polyethylenglycol-PEI (PEGPEI) die besten Eigenschaften hinsichtlich, DNA Komplexierung und Schutz bei der Vernebelung. Ein Vergleich der beiden Verneblersysteme ergab, dass alle Polyplexe am stabilsten während der Ultraschallverneblung waren. Als Schlussfolgerung dieser Studie, stellten wir die Ultraschall-Vernebelung als die geeignetere Methode für die Verabreichung von PEI-basierten Gentransfersystemen in die Lunge heraus. Des Weiteren sind die guten Stabilitätseigenschaften des PEGPEI hervorzuheben, auf Grund dessen wir in den darauf folgenden Studien PEGPEI als Vektor, neben dem Standartvektor verzweigtes 25 kDa PEI (BPEI), für die Pulmonale DNA Applikation verwendeten. Das Ziel der zweiten Studie (Kapitel 3) war die Entwicklung eines biokompatiblen und effizienten Systems für den Gentransport in die Lungen Epithelzellen. Dafür wurden zwei PEI Modifikationen verwendet, ein niedermolekulares PEI (LMWPEI) und das schon beschriebene PEGPEI, die mit dem Standart-Vektor BPEI verglichen wurden. Die Untersuchungen der Polyplex Morphologie (Rasterkraftmikroskopie), Größe (Dynamischer Lichtstreuung) und Zeta-Potential (Laser Doppler Anemometrie) zeigten, dass alle drei Polymere die pDNA vollständig kondensierten und mit dieser kleine, positiv geladene Partikel von ca. 100 nm formten. Zur Untersuchung der Polymer-Toxizität in vitro wurden MTT- und LDH-Assays durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass das LMWPEI die beste Biokompatibilität aufweist. Die Transfektionseffizienz der drei verschiedenen Vektoren wurde in vitro an einer Lungenepithelzelllinie und in vivo in Mäuselungen nach intratrachealer Instillation untersucht. Dabei wurde für LMWPEI im Vergleich zu BPEI und PEGPEI in vitro die geringste Genexpression detektiert, während die Transfektionsrate in der Mäuselunge für das LMWPEI am höchsten war. Interessanterweise beobachteten wir für PEGPEI ein genau gegensätzliches Verhalten und die sehr hohe Genexpression in der Zellkultur konnte in den Tierversuchen nicht reproduziert werden. Auf Grund dieser Beobachtungen stellten wir die Hypothese auf, dass eine gute Stabilität der Polyplexe im Mucus, im Surfactant und im Zellplasma, die Transfektion in vivo verändern könnten. Um dies zu untersuchen, wurden die Polyplexe mit Lavagen von Mäuselungen und mit natürlichem Surfactant inkubiert. Es konnte eine abnehmende Stabilität der Polyplexe in der Reihenfolge: PEGPEI > BPEI > LMWPEI beobachtetet werden. Daraus schlussfolgerten wir, dass starke Wechselwirkungen zwischen dem Polymer und der DNA in vivo zu einer schlechteren Freigabe der DNA führt und somit die Transfektionseffizienz verringert. Die Ergebnisse der Studie in Kapitel 3 zeigten, dass mittels LMWPEI im Tiermodel ein biokompatibler und effizienter Genvektor für die Lungentherapie entwickelt werden konnte. Diese viel versprechenden Ergebnisse gaben Anlass zu weiterführenden Studien über die Verträglichkeit von LMWPEI in der Mäuselunge (Kapitel 4). Dazu wurden die Polyplexe von LMWPEI im Vergleich zu BPEI und PEGPEI via Instillation in die Mäuselunge verabreicht und nach 48 Stunden wurden die Lungen lavagiert. Diese Lavagen wurden dann hinsichtlich Entzündungsfaktoren wie Gesamtzellzahl, Anzahl der Neutrophilen und der Makrophagen, Konzentration der Gesamtproteine und der Zytokine untersucht. Dabei wurden sowohl für die pDNA als auch die Polyplexe erhöhte Werte gemessen, diese konnten eingestuft werden in leichte Entzündungen bei der DNA und LMWPEI/DNA, mittlere Lungenentzündung bei BPEI/DNA und starke Lungenentzündung bei PEGPEI/DNA. Die Betrachtung dieser Ergebnisse im Zusammenhang mit den Transfektionsraten führte uns zu der Schlussfolgerung, dass mit zunehmender Toxizität in der Mäuselunge (LMWPEI BPEI > PEGPEI) abnimmt. Folglich wählten wir das LMWPEI für weitergehende Versuche zur Aerosolapplikation in die Lunge aus. Dafür entwickelten wir ein neues Inhalationssystem für Mäuse. Bedauerlicherweise nahmen die Transfektionsraten von LMWPEI/DNA nach der Vernebelung im Vergleich zur Instillation um den Faktor 50 ab. Um den Grund für diese drastische Abnahme zu erkunden, stellten wir Polyplexe her, bei denen sowohl die pDNA als auch das LMWPEI fluoreszenzmarkiert waren und verglichen deren Lungenverteilung nach Instillation mit der nach Inhalation. In den Konfocale Fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der Lungenschnitte zeigte sich, dass die vernebelten Polyplexe gleichmäßig in der Lunge verteilt waren, jedoch in sehr geringen Mengen. Im Gegensatz dazu waren die Polyplexe nach der Instillation in sehr hohen Konzentrationen sowohl in den Bronchien als auch in den Alveolen vorhanden, jedoch wurden nicht alle Abschnitte der Lunge erreicht. Des Weiteren beobachteten wir erstmalig, dass LMWPEI/DNA auch in die Lungenendothelzellen aufgenommen wurde. Zusammenfassend ergibt sich, dass LMWPEI ein sehr effizienter sowie biokompatibler Genvektor für die Lungentherapie ist, und diesbezüglich auch viel bessere Eigenschaften als das häufig eingesetzte BPEI aufweist. In einer weiteren Studie (Kapitel 5) ist die Entwicklung eines neuen Genvektors beschrieben, der mit einem TAT-Peptid (eine Proteintransduktionsdomaine) modifiziert wurde. Dazu wurde das TAT Peptid an BPEI über eine PEG-Kette kovalent gebunden. Dieses neue PEI Konjugat wurde, wie schon die zuvor beschriebenen Vektoren, hinsichtlich Kondensation der pDNA, Schutz der pDNA im extra- und intrazellulärem Lungenmilieu, Polyplexgröße, Stabilität, Zeta-Potential, in vitro und in vivo Transfektionseffizienz sowie Toxizität und Verteilung der Polyplexe in der Mäuselunge untersucht. Unser Ziel war es gewesen, einen nicht toxischen und sehr effizienten Genvektor zu entwickeln. Dies konnte mit dem neuem TAT-PEG-PEI weitgehend erreicht werden. Dieses Konjugat war in der Lage, sehr kleine und stabile Partikel mit pDNA zu formen. In der Mäuselunge wurde für die TAT-PEG-PEI Polyplexe ein Anstieg der Genexpression von ~600 % im Vergleich zu BPEI und ~300 % im Vergleich zu LMWPEI beobachtet. Weiterhin konnten wir eine hervorragende Verträglichkeit in vivo feststellen, und die Werte der Indikatoren eine Entzündungsrektion lagen im Bereich derer von pDNA. Ein weiterer Vorteil von TAT-PEG-PEI war der sichere Transport der pDNA in die verschiedenen Zellentypen der Lunge. Aus diesem Grund könnte dieser neu Genvektor für die Behandlung verschiedener Lungenerkrankungen eingesetzt werden, bei der verschiedenste Zelltypen betroffen sind, wie z.B. beim Lungenkrebs. Das wichtigste Ergebnis dieser vier beschriebenen Studien ist, dass TAT-PEG-PEI undim geringerem Maße auch LMWPEI als gut verträgliche und effiziente Vektoren das Potential besitzen, in der Gentherapie verschiedener Lungenerkrankungen Anwendung zu finden. Selbstverständlich sind weitergehende Studien notwendig, um die zwar geringe aber doch vorhandene Toxizität der Polyplexe weiter zu reduzieren. Dieses Ziel könnte beispielsweise erreicht werden, indem man für die Synthese von TAT-PEG-PEI das LMWPEI oder ein hochsubstituiertes PEGPEI verwendet. Des Weiteren sollte die Aufnahme von TAT-PEG-PEI Polyplexen in die Zelle genauer untersucht werden, da bisher widersprüchliche Studien über die Aufnahme und den Weg des TAT Peptides in der Zelle existieren. Weitergehende Studien hinsichtlich zellspezifischer Genvektoren sollten durchgeführt werden. Es wäre z.B. möglich, das LMWPEI mit einer zielgerichteten Struktur zu modifizieren, wie z.B. Lectin, Folat, einem Antikörper oder Peptiden wie z.B. das RGD. Der nächste Schritt sollte dann darin bestehen, therapeutische Gene (IL-12, p53, NO oder Prostacyclin Produzenten) mittels der optimierten Vektoren TAT-PEG-PEI und LMWPEI in die Lungenzellen zu transportieren. Des Weitern sollte versucht werden, das Vernebelungssystem für die in vivo Versuche zu verbessern, z.B. durch einen so genannten „Trocknenden Spacer“, wie er kürzlich von Rudolph et al. (2005) beschrieben wurde. Die fünfte Studie dieser Arbeit (Kapitel 6) beschreibt lipid-basierte Formulierungen als inhalierbare Drug Delivery Systeme. Der Wirkstoff Iloprost ist zugelassen in der Aerosoltherapie der Arteriellen Pulmonalen Hypertonie. Jedoch ist die Wirksamkeit dieses Stoffes begrenzt durch seine kurze Halbwertszeit. Infolgedessen war das Ziel der Studie die Entwicklung einer Formulierung, die Iloprost über einen verlängerten Zeitraum freisetzt. Solch eine Formulierung sollte beides gewährleisten: eine hohe Wirkstoffverkapselung und Stabilität während der Vernebelung. Dazu wurden verschiedene Lipidkombinationen für die Herstellung von Liposomen untersucht. Zuerst wurde die Modellsubstanz Carboxyfluorescein in Liposomen verkapselt, die aus Dipalmitoyl-phosphatidylcholin (DPPC) und Cholesterol (CH), oder aus DPPC, CH und PEG-dipalmitoyl-phoshatidylethanolamine (DPPE-PEG), bestanden. Die Stabilität dieser Liposomen wurde an drei verschiedenen Verneblern untersucht: Düsen-, Ultraschall- und Mikropumpenvernebler. Diese Systeme wurden hinsichtlich der Menge an produziertem Aerosol, der Aerosoltropfengröße und deren Einfluss auf die Liposomen verglichen. Dabei wurde die Stabilität der Liposomen in Bezug auf Liposomengröße und der Wirkstoffverkapselung, jeweils vor und nach der Vernebelung beurteilt. Es stellte sich heraus, dass die DPPC/CH Liposomen am stabilsten waren, insbesondere nach der Vernebelung mit dem Ultraschall- und dem Mikropumpenverneblern. In einer zweiten Versuchsreihe wurden die Liposomen mit Iloprost beladen. Dabei wurde die höchste Stabilität und Verkapselungseffizienz ebenfalls für die DPPC/CH Liposomen vor allem nach der Mikropumpenverneblung gefunden. Demzufolge schlussfolgerten wir, DPPC/CH Liposomen sind als eine Formulierung mit verlängerter Wirkstofffreigabe in der Behandlung der pulmonalen Hypertonie gut geeignet. Bis dieses Ziel erreicht werden kann, sind jedoch noch viele weiterführende Untersuchungen notwendig, und die hier präsentieren Ergebnisse stellen erst den Grundstein dafür dar. Als nächste Schritte sollten die Aufnahme der Liposomen in Lungenepithelzellen bzw. die Wirkstofffreisetzung untersucht werden, gefolgt von pharmakokinetischen ex vivo Studien. Danach sollte die Wirksamkeit der Iloprost-Liposomen an einem Tiermodel untersucht werden, bei dem, z.B. ausgelöst durch die Haltung in Hypoxie, eine pulmonale Hypertonie besteht. Die neuen Formulierungen und Technologien, die in dieser Dissertation beschrieben sind, stellen zwar nur einen kleinen, aber dennoch wichtigen Fortschritt in der Entwicklung von neuen Therapieformen für die Behandlung von Lungenerkrankungen dar. Derartige Formulierungen geben Anlass zur Hoffnung eines Tages die Behandlung von schwerkranken Patienten deutlich zu verbessern

Electron donors and acceptors for members of the family Beggiatoaceae

The family Beggiatoaceae comprises large, colorless sulfur bacteria, which are best known for their chemolithotrophic metabolism, the oxidation of reduced sulfur compounds with oxygen or nitrate. This thesis contributes to a more comprehensive understanding of the ecophysiology of these organisms with several studies on different aspects of their dissimilatory metabolism. Section 2 proposes a general model of sulfur compound oxidation in this family and Section 3 presents a possible rationale for sulfur respiration under strongly sulfidic conditions. Section 4 describes physiological and genomic studies, showing that members of the family Beggiatoaceae can use molecular hydrogen as an electron donor. The possible influence of hydrogen oxidation on the metabolic plasticity of the Beggiatoaceae is discussed and environmental settings are pointed out, in which hydrogen oxidation could be important for these organisms. Section 5 compares the energetics of hydrogen and sulfur oxidation

Sequencing and comparative genomics of Leptospira interrogans serovar pomona and Leptospira kirschneri serovar grippotyphosa.

Virulence genes that include methyl-accepting chemotaxis protein, flagellar basal body-associated protein, flagellar motor switch protein, Lig A protein, thermolysin, multiple antibiotic resistance protein, acriflavine resistance protein, and rfb-related genes were identified and compared among the four Leptospira species: pomona, grippotyphosa, lai, and copenhageni. Based on the unique distribution of their virulence genes, grippotyphosa and pomona can be paired while copenhageni and lai similarly can be grouped. This pairing correlates well with their respective host ranges.The ∼ 4.7Mb genomes of Leptospira interrogans serovar pomona and Leptosrira kirschneri serovar grippotyphosa respectively were sequenced to understand the molecular basis of leptospiral physiology, virulence, and pathogenesis in leptospirosis.Nearly 50 metabolic pathways, including glycolysis, pentose phosphate, TCA cycle, oxidative phosphorylation, and ATP synthesis, have been reconstructed for four Leptospira species using KEGG. Domain analysis, isozymes search, and literatures mining confirmed that all these pathways investigated were identical in L. pomona, grippotyphosa, lai, and copenhageni.3,733 genes were predicted in L. pomona and 3,828 genes were predicted in L. grippotyphosa and compared with those of L. lai and copenhageni. The large chromosomes of L. pomona, grippotyphosa, lai, and copenhageni encode 133, 205, 854, and 98 species specific genes, respectively while 77, 99, and 66 genes are species specific in the small chromosomes of L. pomona, grippotyphosa, and lai, respectively, but none are specific in the copenhageni small chromosome

Machine learning guided optimization of an artificial carbon dioxide fixation cycle and its extension towards value-added compounds

The global carbon cycle is a highly balanced exchange system of carbon between the geo-, hydro- and atmosphere. Since the industrial revolution, the combustion of fossil fuels is one of the main reasons for the shift of carbon levels towards higher concentrations in the hydro- and atmosphere. The amount of carbon dioxide (CO2) in the air is comparibly low but it is a highly potent greenhouse gas due to its structural properties. Its capability of absorbing infrared light, which would otherwise escape into space, leads to an increase in atmospheric temperatures. Because CO2 molecules are very stable, the conversion into multi-carbon-molecules is energy demanding and mainly done by organisms which use light as an energy source. Therefore, the main workhorses of capturing CO2 from the atmosphere are plants and algae, which incorporate the carbon for the production of biomass. In these complex organisms the Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase (RuBisCO) is responsible for the carboxylation reaction. RuBisCO is considered a slow catalyst with a high error rate in accepting oxygen (O2) instead of CO2. In 2016, Schwander et al. published a new-to-nature pathway for the fixation of CO2. The so-called crotonyl-coenzyme A (CoA) /ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA (CETCH) cycle was designed to circumvent RubisCO. In contrast to the Calvin cycle, the CETCH cycle is based on a highly efficient crotonyl-CoA carboxylase/reductase (Ccr), which does not display any side reaction with oxygen such as RuBisCO. Due to the overall pathway design, including Ccr as the key catalyst, the CETCH cycle has a higher net efficiency than natural aerobic CO2-fixation pathways and thus harbors the potential to play an important role in the reduction of atmospheric CO2 levels. To gain insights into this complex in vitro assay consisting of more than 25 components, we established a high-throughput workflow that enabled us to test hundreds of reaction conditions simultaneously. Prerequisite was the implementation of an acoustic liquid handling robot with a minimal pipetting volume of 25 nl. This enabled a fast reaction assembly and a drastic reduction in assay volume while maintaining a high pipetting accuracy. The acquired data was used to subsequently train an XGBoost-based machine learning algorithm aiming to optimize the CETCH cycle reaction parameters. After five rounds of optimization, the final model predicts reaction parameters for assay conditions with a ten-fold improvement on the manually optimized pathway version published in 2016. In addition, the algorithm identified the important components of the pathway and revealed one enzyme as a potential bottleneck of the current assay. Follow up experiments showed that the loss of intermediates by side reactions or hydrolysis is the limiting factor of the assay. Furthermore, we sought to extend the product portfolio of the CETCH cycle beyond its primary product glyoxylate. To this end, we first coupled the CETCH cycle to the β-hydroxyaspartate cycle. This enabled the production of oxaloacetate from two molecules glyoxylate. Adding only three additional enzymes from the serine cycle leads to the formation of acetyl-CoA, which we used to produce different terpenes via the mevalonate pathway. Despite the wide range of products, their synthesis has remained limited to the use of molecules produced downstream of the CETCH cycles primary product glyoxylate. Intermediates of the cycle were inaccessible, as their removal would lead to stalling of the pathway and a pre-mature arrest of CO2–fixation. To enable the utilization of CETCH cycle intermediates, we implemented anaplerotic routes that use the fixed CO2 to replenish drained cycle intermediates. We successfully reconstituted three anaplerotic pathways that enabled the production of the polyketide 6-deoxyerythronolide B (6-dEB). The biosynthesis of 6-dEB (C21) requires one molecule of propionyl-CoA and six molecules methylmalonyl-CoA, both intermediates of the CETCH cycle. The biosynthesis of complex molecules from CO2 in context of different highly convoluted pathways with up to 50 reactions highlights the robustness and versatility of the CETCH cycle.Der globale Kohlenstoffkreislauf ist ein hochgradig ausgewogenes System welches den Kohlenstoffaustausch zwischen Geo-, Hydro- und Atmosphäre umfasst. Seit der industriellen Revolution ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe der Hauptgrund für den Anstieg des Kohlenstoffgehalts in der Atmosphäre, sowie im Wasser. Zwar ist die Konzentration an Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Luft nach wie vor sehr gering, da es jedoch aufgrund seiner strukturellen Eigenschaften ein hochwirksames Treibhausgas ist, hätte eine Verdopplung der Menge katastrophale Auswirkungen auf das Klima. Seine Fähigkeit Infrarotlicht zu absorbieren, welches sonst ins Weltall entweichen würde, führt zu einem Anstieg der atmosphärischen Temperaturen. Da CO2-Moleküle sehr stabil sind, ist die Umwandlung in langkettige Kohlenstoff-Moleküle sehr energieaufwändig und erfolgt hauptsächlich durch Organismen die Licht als Energiequelle nutzen. Die Hauptakteure bei der Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre sind daher Pflanzen und Algen, die den Kohlenstoff zur Erzeugung von Biomasse aufnehmen. In diesen komplexen Organismen ist die Ribulose-1,5-Bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RuBisCO) für die Carboxylierung verantwortlich. RuBisCO gilt als langsamer Katalysator mit einer hohen Fehlerquote bei der Aufnahme von Sauerstoff (O2) anstelle von CO2. 2016 wurde eine Studie von Schwander et al. veröffentlicht, in welcher ein neuartiger Stoffwechselweg zur Fixierung von CO2 vorgestellt wurde. Der sogenannte Crotonyl-Coenzym A (CoA)/Ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA (CETCH)-Zyklus wurde entwickelt, um RubisCO zu umgehen. Im Gegensatz zum Calvin-Zyklus basiert der CETCH-Zyklus auf einer hocheffizienten Crotonyl-CoA Carboxylase/Reduktase (Ccr), bei der keine Nebenreaktionen mit Sauerstoff auftreten. Aufgrund der Nutzung von Ccr und dem restlichen Aufbau des Stoffwechselweges hat der CETCH-Zyklus eine höhere Nettowirksamkeit als natürliche aerobe CO2-Fixierungswege und hat somit das Potential, eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des atmosphärischen CO2-Gehalts zu spielen. Um Einblicke in dieses komplexe in vitro Reaktionsnetzwerk aus mehr als 25 Komponenten zu gewinnen, haben wir eine Hochdurchsatzverfahren etabliert um Hunderte von Reaktionsbedingungen gleichzeitig zu testen. Voraussetzung war die Implementierung eines akustischen Pipettier-Roboters mit einem minimalen Pipettiervolumen von 25 nl. Dies ermöglichte einen schnelleren Durchsatz und eine drastische Verringerung des Reaktionsvolumens ohne Verluste bei der Pipettiergenauigkeit. Die gewonnenen Daten wurden verwendet um einen XGBoost-basierten Machine Learning Algorithmus zu trainieren, um die Reaktionsparameter des CETCH-Zyklus zu optimieren. Durch fünf Runden Optimierung konnten die Reaktionsparameter so verändert werden, dass der CETCH-Zyklus im Vergleich zur publizierten Version von 2016 um den Faktor zehn verbessert werden konnte. Darüber hinaus konnten durch den Algorithmus die wichtigsten Komponenten des Stoffwechselwegs identifiziert werden und ein Enzym als potentieller Engpass ausgemacht werden. Des weiteren konnte durch anschließende Experimente gezeigt werden, dass der Verlust von Metaboliten durch Nebenreaktionen oder Hydrolyse der begrenzende Faktor ist. Neben der Optimierung des CETCH-Zyklus erweiterten wir dessen Produktportfolio um CO2 direkt in höherwertige Chemikalien umzuwandeln. Zu diesem Zweck koppelten wir zunächst den CETCH-Zyklus mit dem β-Hydroxyaspartat-Zyklus. Dies ermöglichte die Herstellung von Oxaloacetat aus zwei Molekülen Glyoxylat. Durch drei weitere Enzyme aus dem Serin-Zyklus konnten wir Acetyl-CoA synthetisieren, welches wir zur Herstellung verschiedener Terpene verwendeten. Zwar konnten wir die Produktion von verschiedenen Stoffen demonstrieren, die Synthese beschränkte sich jedoch auf Produkte welche aus dem Primärprodukt Glyoxylat gewonnen werden. Die Nutzung von CETCH Metaboliten war nicht möglich, da dies zu einem vorzeitigen Stillstand der CO2-Fixierung führen würde. Um die Konzentrationen von CETCH-Metaboliten zu erhöhen, implementierten wir von der Natur inspirierte, anaplerotische Sequenzen, welche das fixierte CO2 in den Zyklus zurückführen. Dazu rekonstituierten wir erfolgreich vier anaplerotische Routen, von welcher drei die Produktion des Polyketids 6-Desoxyerythronolid B (6-dEB) ermöglichten. Die Biosynthese von 6-dEB (C21) erfordert ein Molekül Propionyl-CoA und sechs Moleküle Methylmalonyl-CoA, beides Zwischenprodukte des CETCH-Zyklus. Durch die Biosynthese komplexer Moleküle aus CO2 in hochgradig komplexen Stoffwechselwegen mit über 50 Reaktionen konnten wir die Robustheit und Vielseitigkeit des CETCH-Zyklus demonstrieren

Dynamical Models of biological networks

In der Molekularbiologie sind mathematische Modelle von regulatorischen und metabolischen Netzwerken essentiell, um von einer Betrachtung isolierter Komponenten und Interaktionen zu einer systemischen Betrachtungsweise zu kommen. Genregulatorische Systeme eignen sich besonders gut zur Modellierung, da sie experimentell leicht zugänglich und manipulierbar sind. In dieser Arbeit werden verschiedene genregulatorische Netzwerke unter Zuhilfenahme von mathematischen Modellen analysiert. Weiteres wird ein Modell einer in silico Zelle vorgestellt und diskutiert. Zunächst werden zwei zyklische genregulatorische Netzwerke - der klassische Repressilator und ein Repressilator mit zusätzlicher Autoaktivierung – im Detail mit analytischen Methoden untersucht. Um den Einfluß zufällig schwankender Molekülzahlen auf die Dynamik der beiden Systeme zu untersuchen, werden stochastische Modelle erstellt und die beiden oszillierenden Systeme verglichen. Weiteres werden mögliche Auswirkungen von Genduplikationen auf ein einfaches genregulatorisches Netzwerk untersucht. Dazu wird zunächst ein kleines Netzwerk von GATA Transkriptionsfaktoren, das eine zentrale Rolle in der Regulation des Stickstoffmetabolismus in Hefe spielt, modelliert und das Modell mit experimentellen Daten verglichen, um Parameterregionen einschränken zu können. Außerdem werden potentielle Topologien genregulatorischer Netzwerke von GATA Transkriptionsfaktoren in verwandten Fungi mittels sequenzbasierender Methoden gesucht und verglichen. Im letzten Teil der Arbeit wird MiniCellSim vorgestellt, ein Modell einer selbständigen in silico Zelle. Es erlaubt ein dynamisches System, das eine Protozelle mit einem genregulatorischen Netzwerk, einem einfachen Metabolismus und einer Zellmembran beschreibt, aus einer Sequenz abzuleiten. Nachdem alle Parameter, die zur Berechnung des dynamischen Systems benötigt werden, ohne zusätzliche Eingabe nur aus der Sequenzinformation abgeleitet werden, kann das Modell für Studien zur Evolution von genregulatorischen Netzwerken verwendet werden.In this thesis different types of gene regulatory networks are analysed using mathematical models. Further a computational framework of a novel, self-contained in silico cell model is described and discussed. At first the behaviour of two cyclic gene regulatory systems - the classical repressilator and a repressilator with additional auto-activation - are inspected in detail using analytical bifurcation analysis. To examine the behaviour under random fluctuations, stochastic versions of the systems are created. Using the analytical results sustained oscillations in the stochastic versions are obtained, and the two oscillating systems compared. In the second part of the thesis possible implications of gene duplication on a simple gene regulatory system are inspected. A model of a small network formed by GATA-type transcription factors, central in nitrogen catabolite repression in yeast, is created and validated against experimental data to obtain approximate parameter values. Further, topologies of potential gene regulatory networks and modules consisting of GATA-type transcription factors in other fungi are derived using sequence-based approaches and compared. The last part describes MiniCellSim, a model of a self-contained in silico cell. In this framework a dynamical system describing a protocell with a gene regulatory network, a simple metabolism, and a cell membrane is derived from a string representing a genome. All the relevant parameters required to compute the time evolution of the dynamical system are calculated from within the model, allowing the system to be used in studies of evolution of gene regulatory and metabolic networks

Book of abstracts of the 10th International Chemical and Biological Engineering Conference: CHEMPOR 2008

This book contains the extended abstracts presented at the 10th International Chemical and Biological Engineering Conference - CHEMPOR 2008, held in Braga, Portugal, over 3 days, from the 4th to the 6th of September, 2008. Previous editions took place in Lisboa (1975, 1889, 1998), Braga (1978), Póvoa de Varzim (1981), Coimbra (1985, 2005), Porto (1993), and Aveiro (2001). The conference was jointly organized by the University of Minho, “Ordem dos Engenheiros”, and the IBB - Institute for Biotechnology and Bioengineering with the usual support of the “Sociedade Portuguesa de Química” and, by the first time, of the “Sociedade Portuguesa de Biotecnologia”. Thirty years elapsed since CHEMPOR was held at the University of Minho, organized by T.R. Bott, D. Allen, A. Bridgwater, J.J.B. Romero, L.J.S. Soares and J.D.R.S. Pinheiro. We are fortunate to have Profs. Bott, Soares and Pinheiro in the Honor Committee of this 10th edition, under the high Patronage of his Excellency the President of the Portuguese Republic, Prof. Aníbal Cavaco Silva. The opening ceremony will confer Prof. Bott with a “Long Term Achievement” award acknowledging the important contribution Prof. Bott brought along more than 30 years to the development of the Chemical Engineering science, to the launch of CHEMPOR series and specially to the University of Minho. Prof. Bott’s inaugural lecture will address the importance of effective energy management in processing operations, particularly in the effectiveness of heat recovery and the associated reduction in greenhouse gas emission from combustion processes. The CHEMPOR series traditionally brings together both young and established researchers and end users to discuss recent developments in different areas of Chemical Engineering. The scope of this edition is broadening out by including the Biological Engineering research. One of the major core areas of the conference program is life quality, due to the importance that Chemical and Biological Engineering plays in this area. “Integration of Life Sciences & Engineering” and “Sustainable Process-Product Development through Green Chemistry” are two of the leading themes with papers addressing such important issues. This is complemented with additional leading themes including “Advancing the Chemical and Biological Engineering Fundamentals”, “Multi-Scale and/or Multi-Disciplinary Approach to Process-Product Innovation”, “Systematic Methods and Tools for Managing the Complexity”, and “Educating Chemical and Biological Engineers for Coming Challenges” which define the extended abstracts arrangements along this book. A total of 516 extended abstracts are included in the book, consisting of 7 invited lecturers, 15 keynote, 105 short oral presentations given in 5 parallel sessions, along with 6 slots for viewing 389 poster presentations. Full papers are jointly included in the companion Proceedings in CD-ROM. All papers have been reviewed and we are grateful to the members of scientific and organizing committees for their evaluations. It was an intensive task since 610 submitted abstracts from 45 countries were received. It has been an honor for us to contribute to setting up CHEMPOR 2008 during almost two years. We wish to thank the authors who have contributed to yield a high scientific standard to the program. We are thankful to the sponsors who have contributed decisively to this event. We also extend our gratefulness to all those who, through their dedicated efforts, have assisted us in this task. On behalf of the Scientific and Organizing Committees we wish you that together with an interesting reading, the scientific program and the social moments organized will be memorable for all.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Models of self-organization in biological development

Bibliography: p. 297-320.In this thesis we thus wish to consider the concept of self-organization as an overall paradigm within which various theoretical approaches to the study of development may be described and evaluated. In the process, an attempt is made to give a fair and reasonably comprehensive overview of leading modelling approaches in developmental biology, with particular reference to self-organization. The work proceeds from a physical or mathematical perspective, but not unduly so - the major mathematical derivations and results are relegated to appendices - and attempts to fill a perceived gap in the extant review literature, in its breadth and attempted impartiality of scope. A characteristic of the present account is its markedly interdisciplinary approach: it seeks to place self-organization models that have been proposed for biological pattern formation and morphogenesis both within the necessary experimentally-derived biological framework, and in the wider physical context of self-organization and the mathematical techniques that may be employed in its study. Hence the thesis begins with appropriate introductory chapters to provide the necessary background, before proceeding to a discussion of the models themselves. It should be noted that the work is structured so as to be read sequentially, from beginning to end; and that the chapters in the main text were designed to be understood essentially independently of the appendices, although frequent references to the latter are given. In view of the vastness of the available information and literature on developmental biology, a working knowledge of embryological principles must be assumed. Consequently, rather than attempting a comprehensive introduction to experimental embryology, chapter 2 presents just a few biological preliminaries, to 'set the scene', outlining some of the major issues that we are dealing with, and sketching an indication of the current status of knowledge and research on development. The chapter is aimed at furnishing the necessary biological, experimental background, in the light of which the rest of the thesis should be read, and which should indeed underpin and motivate any theoretical discussions. We encounter the different hierarchical levels of description in this chapter, as well as some of the model systems whose experimental study has proved most fruitful, some of the concepts of experimental embryology, and a brief reference to some questions that will not be addressed in this work. With chapter 3, we temporarily move away from developmental biology, and consider the wider physical and mathematical concepts related to the study of self-organization. Here we encounter physical and chemical examples of spontaneous structure formation, thermodynamic considerations, and different approaches to the description of complexity. Mathematical approaches to the dynamical study of self-organization are also introduced, with specific reference to reaction-diffusion equations, and we consider some possible chemical and biochemical realizations of self-organizing kinetics. The chapter may be read in conjunction with appendix A, which gives a somewhat more in-depth study of reaction-diffusion equations, their analysis and properties, as an example of the approach to the analysis of self-organizing dynamical systems and mathematically-formulated models. Appendix B contains a more detailed discussion of the Belousov-Zhabotinskii reaction, which provides a vivid chemical paradigm for the concepts of symmetry-breaking and self-organization. Chapter 3 concludes with a brief discussion of a model biological system, the cellular slime mould, which displays rudimentary development and has thus proved amenable to detailed study and modelling. The following two chapters form the core of the thesis, as they contain discussions of the detailed application of theoretical concepts and models, largely based on self-organization, to various developmental situations. We encounter a diversity of models which has arisen largely in the last quarter century, each of which attempts to account for some aspect of biological pattern formation and morphogenesis; an aim of the discussion is to assess the extent of the underlying unity of these models in terms of the self-organization paradigm. In chapter 4 chemical pre-patterns and positional information are considered, without the overt involvement of cells in the patterning. In chapter 5, on the other hand, cellular interactions and activities are explicitly taken into account; this chapter should be read together with appendix C, which contains a brief introduction to the mathematical formulation and analysis of some of the models discussed. The penultimate chapter, 6, considers two other approaches to the study of development; one of these has faded away, while the other is still apparently in the ascendant. The assumptions underlying catastrophe theory, the value of its applications to developmental biology and the reasons for its decline in popularity, are considered. Lastly, discrete approaches, including the recently fashionable cellular automata, are dealt with, and the possible roles of rule-based interactions, such as of the so-called L-systems, and of fractals and chaos are evaluated. Chapter 7 then concludes the thesis with a brief assessment of the value of the self-organization concept to the study of biological development