Spatio-temporal analysis of extracellular DNA in bacterial colonies - Dynamics of penetration, uptake and transformation

Bacteria spend most of their life in surface-associated, multicellular communities called biofilms. Within biofilms, bacteria embed themselves in a matrix of self-produced extracellular components, which protects them from deleterious components like antibiotics and provides a scaffold for extensive cell-to-cell interactions. One of the key components of the biofilm matrix is extracellular DNA, which is a critical structural element, as well as a connective linker between individual cells. There is a common consensus that abundant DNA, coupled with extensive cell-to-cell interactions within biofilms, facilitates horizontal gene transfer, the exchange of mobile genetic material between genetically distinct organisms. However, this assumption is not always critically questioned and many of the biological roles of extracellular DNA, as well as horizontal gene transfer within bacterial biofilms, are still poorly understood. In this thesis we characterized the dynamics of penetration, uptake, and transformation of external DNA in microcolonies of the naturally competent human pathogen Neisseria gonorrhoeae with spatial and temporal resolution. Utilizing fluorescently labelled DNA probes, we found that penetration and retention of extracellular DNA within bacterial colonies depends on the length of the penetrating nucleotide and on specific binding of DNA to bacteria by the DNA uptake sequence (DUS). In particular, we find that the speed of penetration decreases as a function of DNA length. Yet, even genomic DNA of other species lacking the DUS reach the center of the colonies within few hours. Gonococcal genomic DNA, in which DUS are abundant, binds efficiently to the periphery of the colony but does not enter the colony center. We relate our understanding of the penetration dynamics to DNA uptake and transformation. To this end, we devised experimental assays that allowed the detection of both processes in the presence of external DNA. We show that transformation efficiencies depend on the length of transforming DNA and on the position of transforming cells within the cell aggregate. Specifically, we find that uptake and transformation are both limited to the outer periphery of colonies, which suggests that cells in the colony center feature restricted or limited competence. Finally, we investigate DNAs putative role as a structural element of the biofilms matrix by staining free DNA with a cell impermeable DNA-stain. In doing so, we find that DNA forms a mesh, or network, of DNA filaments in gonococcal cell aggregates. Dissolution of the DNA mesh affects colony architecture and morphology, suggesting that DNA is, indeed, an important connective linker in bacterial colonies. Combined, our findings show that extracellular DNA is abundant even in young colonies and that gonococcal DNA rapidly forms a network spanning large parts of the colonies. Moreover, external DNA readily penetrates the bacterial cell aggregates. Yet, transformation remains limited to the outer periphery of colonies, which raises doubts about the idea of biofilms as hot spots for gene transfer. It will be important to find out, by which mechanism competence for transformation is inhibited within colonies and bacterial biofilms

Introduction

« Herbert Spencer en France. Mise au jour d’une influence » : l’intitulé est en apparence simple. Il recèle pourtant bien des complications et des péripéties. Commençons par le plus simple, quelques repères biographiques : Spencer est né le 27 avril 1820 à Derby, dans les East Midlands, au cœur de l’Angleterre. Après une éducation peu conventionnelle, et des débuts dans les chemins de fer, sa vie active oscille entre le journalisme – exercé d’abord comme profession, ensuite comme moyen d’inte..

Bouvard et Pécuchet : une mise en scène comique des savoirs

« Ils abordèrent la Comédie – qui est l’école des nuances. » Les textes littéraires modernes qui mettent en scène la figure du savant empruntent souvent des personnages, des motifs, des structures ou des procédés aux genres dramatiques. L’insatisfaction notoire du scientifique, l’écart entre la connaissance acquise et le bonheur personnel espéré, les possibilités fournies par le savoir et la tentation diabolique qui en résulte – c’est l’option tragique, moderne, choisie par la littérature d’i..

La théorie et ses abîmes

Paul Bourget (1852-1935) offre l’exemple d’une réception ambiguë de l’œuvre d’Herbert Spencer en France, réception partielle et partiale, dans laquelle se confondent l’acquiescement et la critique, la fascination et le rejet. L’écrivain français fait au philosophe anglais l’honneur de servir de modèle à un personnage-clé dans Le Disciple (1889), un roman à thèse ; en revanche, l’image quelque peu caricaturale qui y est brossée n’est guère flatteuse. Toutefois, dans son ambiguïté même, elle of..

Inferring material properties from FRP processes via sim-to-real learning

Fiber reinforced polymers (FRP) provide favorable properties such as weight-specific strength and stiffness that are central for certain industries, such as aerospace or automotive manufacturing. Liquid composite molding (LCM) is a family of often employed, inexpensive, out-of-autoclave manufacturing techniques. Among them, resin transfer molding (RTM), offers a high degree of automation. Herein, textile preforms are saturated by a fluid polymer matrix in a closed mold.Both impregnation quality and level of fiber volume content are of crucial importance for the final part quality. We propose to simultaneously learn three major textile properties (fiber volume content and permeability in X and Y direction) presented as a three-dimensional map based on a sequence of camera images acquired in flow experiments and compare CNNs, ConvLSTMs, and Transformers. Moreover, we show how simulation-to-real transfer learning can improve a digital twin in FRP manufacturing, compared to simulation-only models and models based on sparse real data. The overall best metrics are: IOU 0.5031 and Accuracy 95.929 %, obtained by pretrained transformer models

Der Breitbandausbau in Sachsen: Hemmnisse, Handlungsoptionen und die Rolle des Tiefbaus

Die vorliegende KOMKIS Analyse bewertet auf Grundlage der Ergebnisse einer durchgeführten Befragung der kommunalen Bau- bzw. Hauptämter im Freistaat Sachsen die aktuellen Einschätzungen und Meinungen der kommunalen Ebene im Kontext des Tiefbaus sowie des geförderten Breitbandausbaus. Hierbei werden die beiden Themenfelder nicht isoliert betrachtet, sondern Zusammenhänge, wie ähnliche Herausforderungen, herausgearbeitet. Die vorliegende Analyse baut somit auf den bisherigen Erkenntnissen des KOMKIS auf und ergänzt das bereits bestehende Bild zum kommunalen Breitbandausbau im Freistaat Sachsen. Die Bundesregierung setzte sich zum Ziel, eine gigabitfähige Breitbandinfrastruktur flächendeckend bereitzustellen. Neben dem privatwirtschaftlichen Ausbau wird die kommunale Bautätigkeit durch Fördermittel des Bundes und der Länder unterstützt. Die Strategie des Freistaats Sachsen unterstützt dieses Vorgehen. Zwar sind in Sachsen einige Erfolge hinsichtlich des Breitbandausbaus zu verzeichnen, dennoch hinkt der Anteil der Verfügbarkeit von Anschlüssen mit hohen Internetgeschwindigkeiten den Zielen deutlich hinterher. Die Divergenz zwischen dem städtischen und ländlichen Raum fällt in Sachsen im Vergleich mit anderen Ländern stark aus. Gegenwärtig wird die Bedeutung von Hochgeschwindigkeitsinternet als Standortfaktor für Gewerbe und Privathaushashalte besonders deutlich. Als zentrale Gründe werden häufig die Überlastung des Tiefbausektors und die Nichtinan-spruchnahme von Fördermitteln durch die Kommunen angeführt. Die vorliegende Analyse geht einen Schritt weiter und stellt die wesentlichen Paralallen zwischen den Themenfeldern Breitbandausbau und Tiefbau dar. Beispielhaft sind hier Kapazitätsengpässe, Größenvorteile und Koordinierungsproblematiken zu nennen. Die Befragung der Tief- bzw. Hauptämter der sächsischen Städte und Gemeinden bildet die Grundlage für die statistische Auswertung. Es wird deutlich, dass der Bündelung von kommunalen Tiefbaumaßnamen in Sachsen kein Vorrang eingeräumt wird. Kleinere und zersiedelte Kommunen nutzen jedoch bereits häufiger diese Möglichkeit. Unterstützend wirkt unter anderem eine Dokumentation der vorhandenen Leitungen, die in den Kommunen zumeist als öffentlich-zugängliche GIS-basierte Karten realisiert werden. Lokale Standortfaktoren, die das Angebot an Breitband beeinflussen, bestimmen die lokale Versorgung an Hochgeschwindigkeitsinternet maßgeblich. Diese sind relativ inflexibel und nur mithilfe politischer Maßnahmen zu verändern. Durch die Digitalisierung der Koordinierung könnten Synergien geschaffen werden, die den weiteren Breitbandausbau unterstützen würden

Auswirkungen der Corona-Pandemie auf die kommunalen Haushalte und Infrastrukturen: Prognostizierte Effekte und Handlungsempfehlungen

Die Folgen der Corona-Pandemie betreffen die Belange der sächsischen Wirtschaft und der kommunalen Haushalte erheblich. Während die Aufrechterhaltung der öffentlichen Daseins-vorsorge höchste Priorität genießt, ist ein massiver Einbruch der kommunalen Steuereinnahmen zu erwarten. Hinzu kommen mögliche negative Folgewirkungen über den Wirkungsweg der Landeszuweisungen (kommunaler Finanzausgleich und Förderprogramme). Bisher lag der Fokus der Hilfen des Bundes und der Länder auf der Unterstützung der ge-werblichen Wirtschaft und der Vermeidung von Arbeitslosigkeit. Die Sicherung der kommunalen Haushalte ist nun der nächste Schritt in der Bewältigung der Coronakrise. Mit diesem KOMKIS-Report werden die Auswirkungen auf die kommunalen Finanzen nach ak-tuellem Kenntnisstand skizziert. Als Grundlage dafür dient eine kurze Analyse der wirtschaft-lichen Ausgangssituation. Weiterhin umfasst der Report mögliche Handlungsempfehlungen, die auch den Aspekt einschließen, wie die Aufrechterhaltung der kommunalen Infrastruktur in Krisenzeiten unterstützt werden kann. Insgesamt sind die fiskalischen Konsequenzen für die Kommunen durch massive Effekte auf die Gewerbesteuer und moderate Effekte auf die gemeindlichen Einkommensteuereinnah-men geprägt. Die Landeszuweisungen wirken derzeit noch stabilisierend. Gleichwohl besteht das Risiko, dass bei einer unveränderten Durchführung des Gleichmäßigkeitsgrundsatzes weitere Mindereinnahmen auf die Kommunen zukommen. Mehrausgaben sind zunächst lediglich im Bereich akuter Maßnahmen sowie im Bereich der Sozialen Sicherung absehbar. Kurzfristig sind die Handlungsfähigkeit und die Liquidität der Kommunen zu sichern. Dabei ist ggf. die kurzfristige Nutzung von Kassenkrediten in bisher nicht gekanntem Ausmaß er-forderlich. Landesmittel können bereits frühzeitig Unterstützung liefern, vor allem über eine Stärkung der Schlüsselzuweisungen. Sparen in der Krise ist zu vermeiden. Mittelfristig ist ohne Zweifel eine Unterstützung der Kommunen durch die Länder und den Bund erforderlich. Dabei kommt dem kommunalen Finanzausgleich und vor allem dem Schlüsselzuweisungssystem eine entscheidende Rolle zu. Die unterjährige Aktualisierung der Steuerkraftmesszahl im Jahr 2020 kann die finanziellen Auswirkungen noch im laufenden Haushaltsjahr glätten. Eine Infrastrukturpauschale kann den Prozess zusätzlich stützen. Ungedeckte kommunale Infrastrukturbedarfe sind vorhanden und ihre Behebung ist konjunkturpolitisch sinnvoll. Die langfristig zu erwartenden Tilgungsanforderungen sollten moderat formuliert werden. Um die zukünftige Resilienz der Kommunen zu stärken, sollten Maßnahmen zur Eindämmung der Schwankungen bei der Gewerbesteuer ergriffen und Reserveplanungen für die kommunale Infrastruktur ermöglicht werden

Multiple Front Propagation Into Unstable States

The dynamics of transient patterns formed by front propagation in extended nonequilibrium systems is considered. Under certain circumstances, the state left behind a front propagating into an unstable homogeneous state can be an unstable periodic pattern. It is found by a numerical solution of a model of the Fr\'eedericksz transition in nematic liquid crystals that the mechanism of decay of such periodic unstable states is the propagation of a second front which replaces the unstable pattern by a another unstable periodic state with larger wavelength. The speed of this second front and the periodicity of the new state are analytically calculated with a generalization of the marginal stability formalism suited to the study of front propagation into periodic unstable states. PACS: 47.20.Ky, 03.40.Kf, 47.54.+rComment: 12 page

A New Human Somatic Stem Cell from Placental Cord Blood with Intrinsic Pluripotent Differentiation Potential

Here a new, intrinsically pluripotent, CD45-negative population from human cord blood, termed unrestricted somatic stem cells (USSCs) is described. This rare population grows adherently and can be expanded to 1015 cells without losing pluripotency. In vitro USSCs showed homogeneous differentiation into osteoblasts, chondroblasts, adipocytes, and hematopoietic and neural cells including astrocytes and neurons that express neurofilament, sodium channel protein, and various neurotransmitter phenotypes. Stereotactic implantation of USSCs into intact adult rat brain revealed that human Tau-positive cells persisted for up to 3 mo and showed migratory activity and a typical neuron-like morphology. In vivo differentiation of USSCs along mesodermal and endodermal pathways was demonstrated in animal models. Bony reconstitution was observed after transplantation of USSC-loaded calcium phosphate cylinders in nude rat femurs. Chondrogenesis occurred after transplanting cell-loaded gelfoam sponges into nude mice. Transplantation of USSCs in a noninjury model, the preimmune fetal sheep, resulted in up to 5% human hematopoietic engraftment. More than 20% albumin-producing human parenchymal hepatic cells with absence of cell fusion and substantial numbers of human cardiomyocytes in both atria and ventricles of the sheep heart were detected many months after USSC transplantation. No tumor formation was observed in any of these animals

High-resolution genomic and expression analyses of copy number alterations in HER2-amplified breast cancer

To access publisher full text version of this article. Please click on the hyperlink in Additional Links fieldINTRODUCTION: HER2 gene amplification and protein overexpression (HER2+) define a clinically challenging subgroup of breast cancer with variable prognosis and response to therapy. Although gene expression profiling has identified an ERBB2 molecular subtype of breast cancer, it is clear that HER2+ tumors reside in all molecular subtypes and represent a genomically and biologically heterogeneous group, needed to be further characterized in large sample sets. METHODS: Genome-wide DNA copy number profiling, using bacterial artificial chromosome (BAC) array comparative genomic hybridization (aCGH), and global gene expression profiling were performed on 200 and 87 HER2+ tumors, respectively. Genomic Identification of Significant Targets in Cancer (GISTIC) was used to identify significant copy number alterations (CNAs) in HER2+ tumors, which were related to a set of 554 non-HER2 amplified (HER2-) breast tumors. High-resolution oligonucleotide aCGH was used to delineate the 17q12-q21 region in high detail. RESULTS: The HER2-amplicon was narrowed to an 85.92 kbp region including the TCAP, PNMT, PERLD1, HER2, C17orf37 and GRB7 genes, and higher HER2 copy numbers indicated worse prognosis. In 31% of HER2+ tumors the amplicon extended to TOP2A, defining a subgroup of HER2+ breast cancer associated with estrogen receptor-positive status and with a trend of better survival than HER2+ breast cancers with deleted (18%) or neutral TOP2A (51%). HER2+ tumors were clearly distinguished from HER2- tumors by the presence of recurrent high-level amplifications and firestorm patterns on chromosome 17q. While there was no significant difference between HER2+ and HER2- tumors regarding the incidence of other recurrent high-level amplifications, differences in the co-amplification pattern were observed, as shown by the almost mutually exclusive occurrence of 8p12, 11q13 and 20q13 amplification in HER2+ tumors. GISTIC analysis identified 117 significant CNAs across all autosomes. Supervised analyses revealed: (1) significant CNAs separating HER2+ tumors stratified by clinical variables, and (2) CNAs separating HER2+ from HER2- tumors. CONCLUSIONS: We have performed a comprehensive survey of CNAs in HER2+ breast tumors, pinpointing significant genomic alterations including both known and potentially novel therapeutic targets. Our analysis sheds further light on the genomically complex and heterogeneous nature of HER2+ tumors in relation to other subgroups of breast cancer