Modulation of mammalian translation by a ribosome-associated tRNA half

Originally considered futile degradation products, tRNA-derived RNA fragments (tdRs) have been shown over the recent past to be crucial players in orchestrating various cellular functions. Unlike other small non-coding RNA (ncRNA) classes, tdRs possess a multifaceted functional repertoire ranging from regulating transcription, apoptosis, RNA interference, ribosome biogenesis to controlling translation efficiency. A subset of the latter tdRs has been shown to directly target the ribosome, the central molecular machine of protein biosynthesis. Here we describe the function of the mammalian tRNAPro 5ʹ half, a 35 residue long ncRNA associated with ribosomes and polysomes in several mammalian cell lines. Addition of tRNAPro halves to mammalian in vitro translation systems results in global translation inhibition and concomitantly causes the upregulation of a specific low molecular weight translational product. This tRNAPro 5ʹ half-dependent translation product consists of both RNA and amino acids. Transfection of the tRNAPro half into HeLa cells leads to the formation of the same product in vivo. The migration of this product in acidic gels, the insensitivity to copper sulphate treatment, the resistance to 3ʹ polyadenylation, and the association with 80S monosomes indicate that the accumulated product is peptidyl-tRNA. Our data thus suggest that binding of the tRNAPro 5ʹ half to the ribosome leads to ribosome stalling and to the formation of peptidyl-tRNA. Our findings revealed a so far unknown functional role of a tdR thus further enlarging the functional heterogeneity of this emerging class of ribo-regulators

Environmental flexibility does not explain metabolic robustness.

Cells show remarkable resilience against genetic and environmental perturbations. However, its evolutionary origin remains obscure. In order to leverage methods of systems biology for examining cellular robustness, a computationally accessible way of quantification is needed. Here, we present an unbiased metric of structural robustness in genome-scale metabolic models based on concepts prevalent in reliability engineering and fault analysis. The probability of failure (PoF) is defined as the (weighted) portion of all possible combinations of loss-of-function mutations that disable network functionality. It can be exactly determined if all essential reactions, synthetic lethal pairs of reactions, synthetic lethal triplets of reactions etc. are known. In theory, these minimal cut sets (MCSs) can be calculated for any network, but for large models the problem remains computationally intractable. Herein, we demonstrate that even at the genome scale only the lowest-cardinality MCSs are required to efficiently approximate the PoF with reasonable accuracy. Building on an improved theoretical understanding, we analysed the robustness of 489 E. coli, Shigella, Salmonella, and fungal genome-scale metabolic models (GSMMs). In contrast to the popular "congruence theory", which explains the origin of genetic robustness as a byproduct of selection for environmental flexibility, we found no correlation between network robustness and the diversity of growth-supporting environments. On the contrary, our analysis indicates that amino acid synthesis rather than carbon metabolism dominates metabolic robustness

Grain boundaries and interfaces in thin films of Yttria stabilized zirconia (YSZ)

Zsfassung in dt. SpracheDünne Schichten aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumdioxid (YSZ) wurden auf Magnesiumoxid (MgO), Saphir und Strontiumtitanat (STO) Einkristallen mittels gepulster Laserdeposition (PLD) und nach einer Sol-Gel Methode hergestellt. Von diesen dünnen Filmen wurde die laterale Korngröße, sowie deren Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) bzw. mit digital holographischer Mikrokopie gemessen. Die Kri\-stallinität und Textur wurde mit Röntgenbeugung (XRD) bestimmt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit lag aber auf den Massen- und Ladungstransporteigenschaften durch Kornvolumen und Korngrenzen dieser Filme, welche mit Impedanzspektroskopie sowie mit Tracerdiffusion und anschließender Analyse durch Flugzeit Sekundär\-ionen\-massen\-spektrometrie (TOF-SIMS) gemessen wurden.Im Zuge der Untersuchungen wurde eine verbesserte Elektrodengeometrie entwickelt um ionenleitende Dünnfilme mit Impedanzspektroskopie zu messen. Es stellte sich heraus, dass lange und schmale Elektroden mit kleinem Abstand, die kammförmig angeordnet sind, die Kornvolumen- und Korngrenzimpedanz selbst in sehr dünnen Schichten trennen können. Die Ergebnisse zeigten, dass die mit PLD und nach der Sol-Gel Methode hergestellten YSZ Dünnschichten eine Kornvolumenleitfähigkeit sehr ähnlich der von ma\-kro\-skopischen Polykristallen aufweisen, während die Schichten auf Magnesiumoxid eine nie\-drig\-ere Leitfähigkeit besitzen, was mit der geringeren Kristallinität erklärt werden kann. Die Korngrenzleitfähigkeiten waren ein bis zwei Größenordnungen nie\-drig\-er als die entsprechenden Kornvolumenleitfähigkeiten, wobei die mittels PLD hergestellten Schichten etwas höhere Werte zeigten. In den YSZ Schichten auf STO konnte keine Trennung von Korn- und Korngrenzleitfähigkeit erreicht werden. Zusätzlich zeigten die Proben mit diesen Schichten eine erstaunlich hohe Gesamtleitfähigkeit und signifikant unterschiedliche Aktivierungsenergien.Eine neuartige zweistufige Methode zur Messung von lateralen Tracerdiffusionskoeffizienten mit 18O wurde entwickelt, welche aus dem Einbau des Tracergases bei niedriger und nachfolgender Diffusion bei erhöhter Temperatur besteht. Dadurch war es möglich wohldefinierte Diffusionsprofile zu messen, die mit analytischen Funktionen ausgewertet werden konnten. Für die YSZ Schichten auf Saphir und Magnesiumoxid stimmten die Messungen der Transporteigenschaften mit Impedanzspektroskopie und Tracerdiffusion sehr gut überein. Die hohe Leitfähigkeit der YSZ Schichten auf STO hin\-gegen konnten zweifelsfrei einer parallelen elektronischen Leitung im Substrat zugewiesen werden, nachdem der Tracerdiffusionskoeffizient in diesen Schichten sehr gut mit den auf Saphir gemessen Werten übereinstimmte.Thin films of yttria stabilized zirconia (YSZ) were prepared on magnesia, sapphire and strontium titanate (STO) single crystals using pulsed laser deposition (PLD) and a sol-gel method. The thin films were characterised regarding their lateral grain size and thickness with atomic force microscopy (AFM) and digital holographic microscopy (DHM).The crystallinity and texture was determined by X-ray diffraction (XRD).However, the focus laid on the bulk and interfacial mass and charge transport properties of said films, which were investigated by impedance spectroscopy and tracer diffusion measurements analysed by means of time of flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). An improved electrode geometry is introduced to study thin ion conducting films by impedance spectroscopy. It is shown that long, thin, and closely spaced electrodes arranged interdigitally allow a separation of grain and grain boundary effects also in very thin films.Results demonstrate that YSZ films produced by pulsed laser deposition and the sol-gel method on sapphire substrates exhibit a bulk conductivity which is very close to that of macroscopic YSZ samples, while the bulk conductivity of YSZ on magnesia was lower due to a lower degree of crystallinity. The grain boundary conductivity was about one to two orders of magnitude lower than the respective bulk conductivity, with higher values for the PLD grown layers. No separation of grain bulk and grain boundary impedance was possible for YSZ films on STO. Also a surprisingly large total conductivity with significantly different activation energies was measured.Lateral oxygen tracer diffusion coefficients were recorded by use of a novel two-step experiment, which consists of a tracer incorporation step at lower temperatures and a subsequent diffusion step in ultra high vacuum (UHV) at higher temperatures. This allowed the measurement of well defined diffusion profiles, which could be analytically evaluated.The films on sapphire and magnesia exhibited good agreement between effective transport properties of impedance and tracer measurements. The high conductivity of the YSZ layers on STO could be unambiguously attributed to conduction in the substrate, as the tracer diffusion coefficients were in the same range as those for YSZ on alumina. In all cases, the tracer diffusion experiments did not show any significant increase of oxygen diffusion along a free YSZ surface compared to a Pt16

Current-driven implantation and diffusion of tracer-ions in yttria-stabilized-zirconia

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheIn der Untersuchung von ionisch leitenden Stoffen ist die Impedanzspektroskopie zu Recht die Standardmethode der Charakterisierung und Quantifizierung der darin ablaufenden ionischen Transportprozesse.Bei manchen Fragestellungen stößt diese Methode jedoch an ihre Grenzen, wie z.B. bei der Bestimmung von Diffusionspfaden. Für ebensolche Zwecke werden Diffusionsexperimente mit Tracerionen durchgeführt. Bei vielen Materialien ist aber oft der Einbau der Markierstoffe in signifikanter Konzentration nicht einfach zu bewerkstelligen.In dieser Arbeit wird an zwei Modellsystemen gezeigt, wie mit stromgetriebener Tracerimplantation gefolgt von TOF-SIMS Untersuchungen Diffusionseffekte beobachtet werden können. Außerdem wird ein mathematisches Modell abgeleitet mit dem Vorhersagen über das Ergebnis solcher Versuche möglich werden. Das erste untersuchte System war ein Bikristall aus Bariumfluorid und Yttrium stabilisiertem Zirconiumdioxid (YSZ), in dem mit Hilfe eines elektrischen Feldes aus dem Bariumfluorid Fluor in YSZ implantiert wurde. Das zweite System war eine dünne YSZ Schicht auf Magnesiumoxid, in durch eine Lanthan-Strontium-Cobaltoxid Elektrode 18O elektrisch eingebaut wurde. Die Messungen der erhaltenen Diffusionsprofile mittels TOF-SIMS zeigten, dass tatsächlich Einbau und Diffusion stattgefunden hat. Zusätzlich wurden die angesprochenen Systeme impedanzspektroskopisch untersucht und ihre elektrischen Eigenschaften quantifiziert.In the research of ion-conducting materials impedance-spectroscopy has become the favoured method of characterisation and quantification of transport processes of ions in the materials under focus. When investigating, for example, diffusion pathways, impedance spectroscopy alone can not answer the questions raised. Therefore, additional experiments with tracer-ions are conducted. However it is not always an easy task to achieve a significant concentration level of these tracers in numerous materials of interest.In this work investigations on two model systems are presented in order to demonstrate the possibilities of current-driven tracer-implantation in combination with TOF-SIMS analyses to study diffusion processes. In the course of these studies a mathematic model has been derived which enables prediction of the results of such experiments. The first model system was a bicrystal consisting of a barium-fluoride single crystal and a single crystal of yttria-stabilised-zirconia (YSZ). Using an electric field fluoride-ions where forced out of the barium-fluoride and implanted into the YSZ. In a second experimental set-up 18O was electrically driven into a thin layer of YSZ on a magnesia single crystal by means of an electrode of lanthanum-strontium-cobalt-oxide.Subsequent measurements of the resulting concentration profiles via TOF-SIMS proved that the implementation was successful and diffusion was observed. Additional analyses of the electrical properties of these systems where conducted using impedance spectroscopy.10

Thermodynamic metabolic pathway analyses : efficient calculation of biologically feasible elementary flux modes

Elementare Flussmoden (EFMs) sind unteilbare Stoffwechselwege in einem metabolischen Netzwerk, die sich in einem stabilen Zustand befinden. Sie können für die Analyse des Netzwerks, zum besseren Verständnis oder auch zur Optimierung eines Organismus für biotechnologische Anwendungen verwendet werden. EFMs liefern einen unverzerrten Blick auf das Netzwerk. Dieser Blick hat aber den Preis von hohen Hardwareanforderungen während der Berechnung, da die Anzahl der EFMs mit zunehmender Netzwerkgröße dramatisch ansteigt. Verschiedene Anstrengungen wurden in den letzten Jahren unternommen, um die Berechnung zu verbessern. Zum Beispiel wurden Netzwerke aufgespalten und separat auf einem Cluster berechnet oder nur ein Teil aller EFMs gewählt. Dennoch ist die EFM-Berechnung in Netzwerken, die vollständige, große Genome widerspiegeln noch immer außer Reichweite. Die Motivation zur vorliegenden Arbeit lag darin, dass nicht alle topologisch möglichen Stoffwechselwege biologisch sinnvoll sind. In dieser Arbeit wird tEFMA (thermodynamische EFM Analyse), eine Erweiterung von efmtool präsentiert. tEFMA verwendet gemessene Metabolitkonzentrationen und berechnet nur jene EFMs, die mit den Metabolitdaten konsistent sind. Unter https://github.com/mpgerstl/tEFMA ist der Quellcode frei verfügbar. Die Vorteile im Speicherbedarf als auch in der verringerten Laufzeit der EFM Berechnung werden am Beispiel eines Escherichia coli Modells gezeigt. Weiters werden die von tEFMA zurückgegebenen, undurchführbaren Reaktionskombinationen analysiert. Neben den zu erwartenden inaktiven Stoffwechselwegen, wie Gluconeogenese, wenn E. coli auf Glukose wächst, wird gezeigt, dass Glutamate Dehydrogenase inaktiv ist, wenn E. coli auf Glukose wächst, aber aktiv ist bei einem Wachstum auf Glycerol oder Acetat, was durch frühere Experimente bestätigt wird. Diese Arbeit stellt einen großen Schritt dar, um in der Zukunft auch in großen Netzwerken alle EFMs, die biologisch sinnvoll sind, berechnen zu können.Elementary flux modes (EFMs) are indivisible steady-state pathways through a metabolic network. They can be used to unbiasedly analyse the network, provide a better insight into an organism or optimize organisms for using them in biotechnological processes. The unbiased view has the price of high hardware requirements during the EFM enumeration process as the number of EFMs increases dramatically with the network's size. In the last years, some progress has been made to improve the calculation. For example, networks were split and calculated separately on a cluster or only a subset of all EFMs was taken. Nevertheless, the calculation of EFMs in large genome-scale networks is still out of reach. The present work was motivated by the fact that not all topologically possible EFMs are biologically meaningful. Here, tEFMA (thermodynamical EFM analysis), which is an extension of a previous enumeration tool called efmtool is presented. The new tool uses metabolite concentrations to enumerate only those EFMs that are thermodynamically consistent with the given metabolome. tEFMA is published as open source software and available at https://github.com/mpgerstl/tEFMA. An Escherichia coli model was analysed to show that tEFMA uses less memory and has a decreased runtime for enumerating EFMs. Furthermore, infeasible reaction patterns that are reported by tEFMA were analysed. Besides expected infeasible pathways, like gluconeogenesis when E. coli is grown on glucose, it is shown that glutamate dehydrogenase is inactive when grown on glucose whereas it is active when grown on glycerol or acetate, which was confirmed by previously published experiments. This work presents a large step forward to the goal of calculating the full set of biologically feasible EFMs in large genome-scale networks.submitted by Matthias P. GerstlZsfassung in dt. SpracheWien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2015OeBB(VLID)193194

Model composite microelectrodes as a pathfinder for fully oxidic SOFC anodes

All-oxide model-composite electrodes were established consisting of a thin, micropatterned, electronically conducting oxide, which acts as a current collector, and a thin film of gadolinia-doped ceria, which is an electrochemically highly active mixed conductor under reducing atmospheres. The choice of the current collecting oxides was based on their electronic conductivity assessed by measurements of thin films using the van der Pauw method. Lanthanum and niobium doped strontium titanate as well as alumina doped zinc oxide, were investigated this way in a humid hydrogen atmosphere. Promising materials were incorporated as a current collector into model-composite microelectrodes and tested for their stability and efficiency in electrochemically activating the microelectrode. Alumina doped zinc oxide, while being an excellent electron conductor, showed severe stability problems at temperatures above 600 °C. However, a microelectrode with a current collector of niobium doped strontium titanate (Sr0·9Ti0.8Nb0·2O3) performed comparable to an electrode with a Pt current collector and, additionally, showed an improved tolerance to sulphur poisoning in a humid hydrogen atmosphere with 10 ppm of hydrogen sulphide

Avoiding the Enumeration of Infeasible Elementary Flux Modes by Including Transcriptional Regulatory Rules in the Enumeration Process Saves Computational Costs.

Despite the significant progress made in recent years, the computation of the complete set of elementary flux modes of large or even genome-scale metabolic networks is still impossible. We introduce a novel approach to speed up the calculation of elementary flux modes by including transcriptional regulatory information into the analysis of metabolic networks. Taking into account gene regulation dramatically reduces the solution space and allows the presented algorithm to constantly eliminate biologically infeasible modes at an early stage of the computation procedure. Thereby, computational costs, such as runtime, memory usage, and disk space, are extremely reduced. Moreover, we show that the application of transcriptional rules identifies non-trivial system-wide effects on metabolism. Using the presented algorithm pushes the size of metabolic networks that can be studied by elementary flux modes to new and much higher limits without the loss of predictive quality. This makes unbiased, system-wide predictions in large scale metabolic networks possible without resorting to any optimization principle