Local error estimates for adaptive simulation of the Reaction-Diffusion Master Equation via operator splitting

The efficiency of exact simulation methods for the reaction-diffusion master equation (RDME) is severely limited by the large number of diffusion events if the mesh is fine or if diffusion constants are large. Furthermore, inherent properties of exact kinetic-Monte Carlo simulation methods limit the efficiency of parallel implementations. Several approximate and hybrid methods have appeared that enable more efficient simulation of the RDME. A common feature to most of them is that they rely on splitting the system into its reaction and diffusion parts and updating them sequentially over a discrete timestep. This use of operator splitting enables more efficient simulation but it comes at the price of a temporal discretization error that depends on the size of the timestep. So far, existing methods have not attempted to estimate or control this error in a systematic manner. This makes the solvers hard to use for practitioners since they must guess an appropriate timestep. It also makes the solvers potentially less efficient than if the timesteps are adapted to control the error. Here, we derive estimates of the local error and propose a strategy to adaptively select the timestep when the RDME is simulated via a first order operator splitting. While the strategy is general and applicable to a wide range of approximate and hybrid methods, we exemplify it here by extending a previously published approximate method, the Diffusive Finite-State Projection (DFSP) method, to incorporate temporal adaptivity

MOLNs: A cloud platform for interactive, reproducible and scalable spatial stochastic computational experiments in systems biology using PyURDME

Computational experiments using spatial stochastic simulations have led to important new biological insights, but they require specialized tools, a complex software stack, as well as large and scalable compute and data analysis resources due to the large computational cost associated with Monte Carlo computational workflows. The complexity of setting up and managing a large-scale distributed computation environment to support productive and reproducible modeling can be prohibitive for practitioners in systems biology. This results in a barrier to the adoption of spatial stochastic simulation tools, effectively limiting the type of biological questions addressed by quantitative modeling. In this paper, we present PyURDME, a new, user-friendly spatial modeling and simulation package, and MOLNs, a cloud computing appliance for distributed simulation of stochastic reaction-diffusion models. MOLNs is based on IPython and provides an interactive programming platform for development of sharable and reproducible distributed parallel computational experiments

Anwendung der Gaschromatographie zur Qualitätsbeurteilung von Weinen und Mosten

Die angegebenen neuen gaschromatographischen Methoden sind zur Analyse der Alkohole in Weinen gut geeignet. Sie liefern somit einen Beitrag zur schnellen und sicheren Beurteilung der Weinqualität

Eine Methode zum papierchromatographischen Nachweis der Anthocyane, insbesondere Hybridenanthocyane in Rotmosten und Rotweinen

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Biochemisch-physiologische Untersuchungen an Traubenbeeren Das Verhalten der Aminosäuren während der Reifung und der Zucker nach Einfrieren der Beeren

Eine genaue Analyse der freien Aminosäuren im Saft von Traubenbeeren während einer Reifungsperiode zeigt, daß in frühen, säurereichen Stadien nur wenige Aminosäuren neben primitiven Stickstoff-Formen vorliegen. Mit Beginn der Reife steigen Zahl und Menge verschiedener Aminosäuren stark an. Gleichzeitig nimmt auch der Zuckergehalt zu und der Säuregehalt ab. Parallel mit der Zunahme der Aminosäuren steigt die Menge der Eiweiße und der Schluß liegt nahe, daß erst in bestimmten Reifestadien nennenswerte Fermentmengen für die ab dieser Zeit erfolgenden, lebhaften Stoffumwandlungen zur Verfügung stehen. Mit 14C-Verbindungen war die Umwandlung von Säuren in Zucker nachweisbar. Aus der Entwicklung der Aminosäuren wird ein „mittlerer Reifezustand" abgeleitet, der durch das Eintreten der Aminosäuren-Summen in ein Konzentrations-Plateau gekennzeichnet wird. Die vergleichenden Untersuchungen lassen sortenspezifische Merkmale erkennen.Im Rahmen biochemisch-physiologischer Untersuchungen wird über Einfrierversuche mit normal geernteten Beeren berichtet. Der Zuckergehalt der Beeren war nach Einfrieren je nach Sorte und Säuregehalt erheblich angestiegen

Enzymatische Glycerin-Analyse in Weinen und Traubenmosten

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Enzymatische Analyse von Glucose, Fructose, Saccharose und Sorbit in Weinen und Traubenmosten

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Interaction of Legionella with host cells and analysis of novel metabolites and drug carrier systems

Legionella pneumophila ist laut CAPNETZ-Studie jährlich für das Auftreten von ca. 15.000 Pneumonien in Deutschland verantwortlich. Im natürlichen Lebensraum vermehren sich Legionellen in verschiedenen Protozoa. Über Aerosole können Legionellen auch in die menschliche Lunge gelangen, wo sie sich hauptsächlich in den alveolaren Makrophagen vermehren. Trotz vorhandener Therapiemöglichkeiten über membrangängige Antibiotika liegt die Letalität bei 7-10 %. Themenschwerpunkte dieser Arbeit waren die Interaktion von Legionellen mit humanen Wirtszellen sowie die Charakterisierung einzelner Wirtszellfaktoren anhand des Modellsystems D. discoideum. Auf der Suche nach neuen Therapiestrategien wurden anti-Legionella Wirkstoffe aus Bacillus pumilus isoliert und der Einsatz von Liposomen als Wirkstoffträgersystem zur Behandlung intrazellulärer Legionella-Infektionen untersucht. Ein bemerkenswertes Ergebnis war die Beobachtung, dass L. pneumophila Corby weder die Bildung von neutrophil extracellular traps (NETs) induziert, noch in der Lage ist bereits vorhandene NETs zu degradieren. Deletionen in Genen des Phosphatidylinositol- (rpkA-) und des Autophagy-Metabolismus (atg9-) von D. discoideum beeinflussten die Infektion mit Legionella. Die Deletion von rpkA resultierte in einer besseren Vermehrung von L. pneumophila JR32 zu späten Infektionszeitpunkten sowie einem verzögertem Abbau avirulenter Legionellen. Die Überexpression von atg9 wirkte protektiv auf die Wirtszelle. Aus B. pumilus wurden Pumilacidin A, C, E, ein neues Peptidlacton und ein neues Glycerolipid isoliert. Konzentrationen von 2-6 µM der Peptidlactone wirkten bakterizid auf Legionella spp. sowie Streptococcus pneumoniae. Der Einsatz von Gentamicin-beladenen Liposomen, die über das dual asymmetric centrifugation-Verfahren hergestellt wurden (Rodos BioTarget GmbH), konnte die Replikation von L. pneumophila in Makrophagen erfolgreich reduzieren.The CAPNETZ-study estimates that L. pneumophila is responsible for 15,000-20,000 cases of pneumonia per year in Germany. In their natural habitat, Legionellae replicate within various freshwater protozoa. Through inhalation of Legionella-containing aerosols, the bacteria can be taken up into the human lung and replicate mainly inside alveolar macrophages. Despite the availability of membrane permeable antibiotics, the lethality is about 7-10 %. The main topics of this work deal with the interaction of L. pneumophila and human host cells, and with the characterization of single host cell factors using the model system Dictyostelium discoideum. Searching for new strategies to combat Legionnaires' disease, metabolites toxic to Legionella were isolated from Bacillus pumilus. Furthermore, the use of liposomes as drug carriers to treat intracellular Legionella-infections was investigated. Two striking results were the discovery that L. pneumophila Corby does not induce the formation of neutrophil extracellular traps (NETs), and it is not able to degrade existing NET-structures. Compared to wild type D. discoideum, the gene deletion of rpkA leads to better bacterial replication at late infection stages and a slower degradation of avirulent Legionella. Furthermore, overexpression of D. discoideum atg9 had a protective effect on the host cell and inhibited L. pneumophila replication. Pumilacidin A, C, E, novel peptide lactone and a novel glycerolipid were isolated from B. pumilus. The peptide lactones showed a narrow inhibitory spectrum, which was restricted to Legionella spp. and Streptococcus pneumoniae, with concentrations of 2-6 µM being bactericidal for the tested strains. Furthermore we demonstrated that gentamicin containing DAC-liposomes (supplied by Rodos BioTarget GmbH) that are synthesized by dual asymmetric centrifugation are taken up by human macrophages and reduce the intracellular replication of L. pneumophila

Biochemisch-physiologisdle Untersuchungen an Traubenbeeren III. Stoffwechsel von zugeführten 14C-Verbindungen und die Bedeutung des Säure-Zucker-Metabolismus für die Reifung von Traubenbeeren

Zum Studium des Stoffwechsels reifender Traubenbeeren führten wir traubentragenden Trieben und isolierten Trauben zunächst in Dunkelversuchen 1.4-  14C-Weinsäure, uniform markierte  14C-Glucose und  14C-Glutaminsäure sowie 1- 14C-Acetat zu. In Mitt. II (2) haben wir über die Verteilung und Veratmung dieser Verbindungen berichtet. Zur Charakterisierung des Stoffwechsels der markierten Verbindungen haben wir die Fraktionen Beerenextrakte chromatographisch in die Stoffgruppen Neutralstoffe (Zucker), organische Säuren, Aminosäuren und weiter in Einzelsubstanzen aufgetrennt und deren Radioaktivität gemessen. In gleicher Weise sind auch die Beerenextrakte der Versuche mit isolierten Trauben nach Zufuhr von 3-14C-Äpfelsäure und nach Fixierung von  14CO2 im Hellen und Dunkeln aufgearbeitet und untersucht worden.Äpfel- und Weinsäure haben voneinander verschiedene Stoffwechselwege. Aus Glucose und Glutaminsäure entstehen wenig Weinsäure und vergleichsweise viel Äpfelsäure, während aus Acetat hauptsächlich Äpfelsäure gebildet wird. Unter den experimentellen Bedingungen wurde Weinsäure ausschließlich veratmet, wogegen Äpfelsäure neben der Veratmung markierte Metabolite aller 3 Stoffgruppen bildet. Aus Äpfelsäure werden wie aus Acetat und Glutaminsäure in den Dunkelversuchen Zucker gebildet; im Hellversuch ist die Zuckerbildung aus Äpfelsäure stark vermehrt. Unter Berücksichtigung der bevorzugten Bildung von Säuren bei der C02-Dunkelfixierung und von Zuckern während der C02-Hellfixierung werden die Bildungsmechanismen für Säuren und Zucker diskutiert. Die Umwandlung von Säuren in Zucker in reifenden Traubenbeeren ist damit sichergestellt. Die Versuche mit 14C-Verbindungen werden weitergeführt