Functional Safety Risks of Smart Power Devices due to EMI

An important prerequisite for the safe operation of vehicles is that all electronic control units (ECUs) installed in the vehicle meet the applicable standards for functional safety and for electromagnetic compatibility. Integrated circuits (ICs) that are used within these ECUs are therefore often tested according to functional safety and EMC standards, but in most cases this is done consecutively. Therefore, we developed an extended direct power injection (DPI) test setup to characterize the functional safety and the electromagnetic interference (EMI) behavior of ICs simultaneously. Based on the results, we show that EMI can have a significant influence on the IC’s functional safety behavior

Gerichtete Proteinevolution als Werkzeug zur Generierung funktionell und strukturell neuartiger Proteine

Proteine mit neuartiger oder verbesserter Funktionalität sind in der Industrie und der Grundlagenforschung von großem Interesse. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden zwei Verfahren der gerichteten Proteinevolution, das Hefe-2-Hybridsystem und das Phagen-Display, verwendet und auf die Anforderungen für zwei unterschiedliche Proteine adaptiert. Im ersten Projekt sollte ein neuer Ansatz zur Generierung eines mit organischen Molekülen schaltbaren Proteins entwickelt werden. Die Bindestelle des Effektormoleküls sollte de novo im hydrophoben Kern des Modellproteins, der SH3-Domäne der c-Abl Tyrosinkinase, evolviert werden. Dazu wurde in einem ersten Schritt die kleine Aminosäure Ala4 des hydrophoben Kerns durch die sterisch anspruchsvollen Aminosäuren Val und Phe ersetzt. Nach Anpassung der Proteinfaltung durch geeignete Mutationen sollten diese Platzhalter nach Rückmutation eine Kavität für das Effektormolekül hinterlassen. Während die Val-Mutation toleriert wurde und biochemisch durch CD-Spektroskopie und in der Ligandenbindung charakterisiert werden konnte, bewirkte die Phe-Mutation offensichtlich eine Entfaltung der SH3-Domäne. Mit dem Hefe-2-Hybridsystem als Selektionsmethode wurde ein Ansatz entwickelt, um durch Proteinevolution kompensierende Mutationen zu identifizieren, die erneut zu einer stabilen Proteinfaltung führen. Es wurden Fusionskonstrukte aus der DNA-Bindedomäne LexA und der B42-Aktivatordomäne mit dem Peptidliganden und der SH3-Domäne hergestellt, sodass eine Interaktion die Transkription der Reportergene LEU2 und lacZ bewirkte. Von der SH3-Domäne wurden auf DNA-Ebene Bibliotheken hergestellt, die entweder durch epPCR oder durch Zufallsmutagenese von fünf Aminosäuren des hydrophoben Kerns (L16, I18, L24, V47 und I52) mittels einer rekursiven PCR gewonnen wurden. Nach der genetischen Selektion erhaltene Hefekolonien wurden als Kandidaten weiter untersucht. Dabei wurde in hohem Maße das Auftreten von falsch Positiven beobachtet, sodass eine Umorganisation des hydrophoben Kerns nicht erreicht werden konnte. Im zweiten Projekt wurde erstmals ein auf Phagen-Display beruhendes Selektionsschema für die Verbesserung von gespaltenen Inteinen entwickelt. Inteine sind interne Proteine, die sich aus einem Vorläuferprotein unter Verknüpfung der flankierenden Polypeptidketten (N- und C-Extein) autokatalytisch entfernen. Diese Reaktion wird als Proteinspleißen bezeichnet. In gespaltenen Inteinen müssen zunächst das N- und das C-terminale Inteinfragment (IntN bzw. IntC) assoziieren. In dieser Arbeit wurde mit dem künstlich an Position 11 sowie Position 104 gespaltenen DnaB-Intein aus Synecchocystis sp. PCC6803 gearbeitet. Mit erstgenanntem System ließe sich in Zukunft auch der Einbau eines organischer Bausteins anstelle der sterisch anspruchsvollen proteinogenen Aminosäure (vergl. Ala4Phe) im ersten Projekt realisieren. Ein IntN(104)-Fusionsprotein wurde mit dem M13-Phagen, der das komplementäre IntC-Fragment präsentierte, inkubiert und die Spleißreaktion durch Immunoblotting nachgewiesen. Anschließend wurde das IntN(104)-Fusionsprotein durch ein N-terminales Streptavidin-bindendes Peptid (SBP) an Streptavidin-Beads immobilisiert. Die aus der Spleißreaktion resultierenden SBP-Phagenpartikel konnten kompetitiv mit Biotin eluiert werden. Mit diesem Protokoll gelang es, aus einer 1:10.000 Mischung mit einem nicht spleißaktiven Kontrollphagen den Hybridphagen über fünf Selektionszyklen um den Faktor 1250 anzureichern. Für das an Position 11 gespaltene DnaB-Intein konnte ebenfalls durch Präsentation des IntC(11)-Fusionsproteins auf der Phagenoberfläche und Inkubation mit einem synthetischen IntN(11)-Fusionspeptid die Modifikation des Phagenproteins durch Protein-Spleißen gezeigt werden. Dabei wurde Desthiobiotin als N-terminale Peptidmodifikation übertragen, wodurch die Phagen an Streptavidin-Beads gebunden werden konnten. So konnte ein Protokoll etabliert werden, das in fünf Zyklen die Anreicherung des Hybridphagen aus einer 1:10.000 Mischung mit einem nicht spleißaktiven Kontrollphagen um den durchschnittlichen Faktor 290 gestattete. Schließlich wurde der Einfluss der Aminosäure an Position +2 des C-Exteins auf die Aktivität des an Position 104 gespaltenen DnaB-Inteins anhand von gereinigten Proteinen untersucht. Hierzu wurde mit einem degenerierten Oligonukleotid an jener Position eine sättigende Mutagenese durchgeführt. Neben der natürlich vorkommenden Aminosäure Ile zeigte von den untersuchten Aminosäuren vor allem Ala einen positiven Einfluss auf die Bildung des Spleißproduktes in einer in vitro Spleißreaktion, während z. B. Pro einen inhibierenden Effekt hatten

Qube - A CubeSat for Quantum Key Distribution Experiments

In a world of global satellite communication networks, it is crucial to ensure the security of these data links. QUBE is a project that will develop and launch a CubeSat for the downlink of strongly attenuated light pulses, with encoded quantum information, which can be used for the exchange of encryption keys. This 3U Pico-Satellite will be built using the UNISEC-Europe standard, which has been proven to provide a robust framework for increased reliability for CubeSat missions. In addition to advanced reaction wheels for precision pointing, the satellite will be carrying the DLR-OSIRIS optical downlink system as well as dedicated payloads for testing components required for quantum key distribution. A miniaturized quantum random number generator (QRNG) will create a sequence of numbers, which can be used to set the quantum states of the light. The light pulses will then be downlinked to the optical ground station at DLR in Oberpfaffenhofen, Germany, which is equipped with the corresponding components for receiving the quantum states. Additionally, the random numbers will partially be made available via an RF downlink. This will allow evaluating the link loss as well as the noise and errors in the transmission of quantum signals. In QKD, due to the underlying quantum mechanics, any attempt of reading the quantum states will alter them, which makes interceptions easily detectable. The quantum communication experiments will evaluate whether secure communication links are possible even on a CubeSat scale. A major challenge for building the required CubeSat is the attitude determination and control system that will provide precise pointing. This work will outline detailed mission requirements as well as the chosen subsystems for tackling these challenges in order to deliver a successful mission

The dimension of the feasible region of pattern densities

A classical result of Erdős, Lovász and Spencer from the late 1970s asserts that the dimension of the feasible region of homomorphic densities of graphs with at most $k$ vertices in large graphs is equal to the number of connected graphs with at most $k$ vertices. Glebov et al. showed that pattern densities of indecomposable permutations are independent, i.e., the dimension of the feasible region of densities of $k$-patterns is at least the number of non-trivial indecomposable permutations of size at most $k$. We identify a larger set of permutations, which are called Lyndon permutations, whose pattern densities are independent, and show that the dimension of the feasible region of densities of $k$-patterns is equal to the number of non-trivial Lyndon permutations of size at most $k$

Genome-wide analysis of single-locus and epistasis single-nucleotide polymorphism effects on anti-cyclic citrullinated peptide as a measure of rheumatoid arthritis

The goal of this study was to identify single-locus and epistasis effects of SNP markers on anti-cyclic citrullinated peptide (anti-CCP) that is associated with rheumatoid arthritis, using the North American Rheumatoid Arthritis Consortium data. A square root transformation of the phenotypic values of anti-CCP with sex, smoking status, and a selected subset of 20 single-nucleotide polymorphism (SNP) markers in the model achieved residual normality (p > 0.05). Three single-locus effects of two SNPs were significant (p < 10-4). The epistasis analysis tested five effects of each pair of SNPs, the two-locus interaction, additive × additive, additive × dominance, dominance × additive, and dominance × dominance effects. A total of ten epistasis effects of eight pairs of SNPs on 11 autosomes and the X chromosome had significant epistasis effects (p < 10-7). Three of these epistasis effects reached significance levels of p < 10-8, p < 10-9, and p < 10-10, respectively. Two potential SNP epistasis networks were identified. The results indicate that the genetic factors underlying anti-CCP may include single-gene action and gene interactions and that the gene-interaction mechanism underlying anti-CCP could be a complex mechanism involving pairwise epistasis effects and multiple SNPs

Expanding the Portfolio by a Novel Monomeric Oleate Hydratase from Pediococcus parvulus

Oleate hydratases convert oleic acid into 10-hydroxy stearic acid, a valuable fine chemical, useful in lubricant and surfactant formulations. They are of large interest due to their high expression rates and solubility, however, they differ drastically by their overall stability and pH- and temperature ranges. To expand their portfolio, another oleate hydratase named OhyPp (originating from Pediococcus parvulus) was characterized. It is a close relative of the well-known oleate hydratase OhyRe from Rhodococcus erythropolis. OhyPp is only the second member of the monomeric oleate hydratase family with some surprising catalytic features. A distinct characteristic is OhyPp's higher affinity towards FAD compared to OhyRe's helping to understand and improve FAD binding in the future, which is a current drawback for the industrial application of oleate hydratases

Improving Melanoma Classification by Integrating Genetic and Morphologic Features

Boris Bastian and colleagues present a refined morphological classification of primary melanomas that can be used to improve existing melanoma classifications by defining genetically homogeneous subgroups

Effect of nitrogen fertilizer and compost on photosynthesis and growth of Virginia fanpetals (Sida hermaphrodita Rusby)

Als mehrjährige Bioenergiepflanze kann Sida hermaphrodita eine wichtige Rolle für den Anbau auf marginalen Standorten in der nahen Zukunft spielen. In einem kon­trollierten Topfexperiment wurde der Einfluss von verschiedenen Kompostgehalten (10, 20, 30, 50%) und mineralischem Stickstoffdünger (100 kg N ha–1) auf Biomasse, Wuchshöhe und Kohlenstoffallokation während der Etablierungsphase untersucht. Weiterhin wurden ökophysiologische Parameter (Gaswechsel, Chlorophyllfluoreszenz, Chlorophyllgehalte) mit nicht-destruktiven Methoden bestimmt. Die Ergebnisse des Experimentes zeigen, dass sowohl die Stickstoffdüngung als auch die Kompostgabe positive Effekte für das Wachstumsverhalten hat. Während der Etablierungsphase erreichten die gedüngten Pflanzen eine mittlere Pflanzenhöhe von bis zu 127 cm (maximale Wuchshöhe 168 cm). Die Photosynthese wurde nicht durch die unterschiedlichen Behandlungen beeinflusst. Die mittlere CO2-Austauschrate variiert zwischen 5,8 und 9,9 μmol m–2 s–1 und die Elektronentransportrate zwischen 34,5 und 53,9 μmol m–2 s–1. Die Verwendung von Kompost und Stickstoff ist für eine bessere Biomasseproduktion von Sida in marginalen Böden möglich, auch wenn das Wachstum im ersten Jahr limitiert ist und es negative Rückwirkungen auf die Bestandesetablierung gibt.As a perennial bioenergy crop Sida hermaphrodita can play an important role on marginal lands in the near future. In a controlled pot experiments the influence of various proportions of compost (10, 20, 30, 50%) and nitrogen fertilizer (100 kg N ha–1) on biomass, plant height, and carbon allocation were investigated during the establishment phase. Furthermore, ecophysiological parameters (gas exchange, chlorophyll fluorescence, chlorophyll content,) were determined with non-destructive methods. The results of this experiment demonstrated that nitrogen fertilization and compost application has an overall positive effect on the overall growth performance. During the establishment phase, the fertilized plants reached a mean high of up to 127 cm (maximal plant height up to 168 cm). Photosynthesis was not influenced by the treatments and the mean net CO2-exchange rates varied between 5,8 and 9,9 μmol m–2 s–1 and the electron transport rate between 34,5 and 53,9 μmol m–2 s–1. The application of compost and nitrogen for a better biomass production of Sida on marginal soils is possible, however the growth is limited in the first year with negative effects on the establishment of larger crops

Towards an understanding of oleate hydratases and their application in industrial processes

Fatty acid hydratases are unique to microorganisms. Their native function is the oxidation of unsaturated C–C bonds to enable detoxification of environmental toxins. Within this enzyme family, the oleate hydratases (Ohys), which catalyze the hydroxylation of oleic acid to 10-(R)-hydroxy stearic acid (10-HSA) have recently gained particular industrial interest. 10-HSA is considered to be a replacement for 12-(R)-hydroxy stearic acid (12-HSA), which has a broad application in the chemical and pharmaceutical industry. As 12-HSA is obtained through an energy consuming synthesis process, the biotechnological route for sustainable 10-HSA production is of significant industrial interest. All Ohys identified to date have a non-redox active FAD bound in their active site. Ohys can be divided in several subfamilies, that differ in their oligomerization state and the decoration with amino acids in their active sites. The latter observation indicates a different reaction mechanism across those subfamilies. Despite intensive biotechnological, biochemical and structural investigations, surprising little is known about substrate binding and the reaction mechanism of this enzyme family. This review, summarizes our current understanding of Ohys with a focus on sustainable biotransformation