Ultra-Fast Generation of Air Shower Images for Imaging Air Cherenkov Telescopes using Generative Adversarial Networks

For the analysis of data taken by Imaging Air Cherenkov Telescopes (IACTs), a large number of air shower simulations are needed to derive the instrument response. The simulations are very complex, involving computational and memory-intensive calculations, and are usually performed repeatedly for different observation intervals to take into account the varying optical sensitivity of the instrument. The use of generative models based on deep neural networks offers the prospect for memory-efficient storing of huge simulation libraries and cost-effective generation of a large number of simulations in an extremely short time. In this work, we use Wasserstein Generative Adversarial Networks to generate photon showers for an IACT equipped with the FlashCam design, which has more than $1{,}500$ pixels. Using simulations of the H.E.S.S. experiment, we demonstrate the successful generation of high-quality IACT images. The analysis includes a comprehensive study of the generated image quality based on low-level observables and the well-known Hillas parameters that describe the shower shape. We demonstrate for the first time that the generated images have high fidelity with respect to low-level observables, the Hillas parameters, their physical properties, as well as their correlations. The found increase in generation speed in the order of $10^5$ yields promising prospects for fast and memory-efficient simulations of air showers for IACTs.Comment: 27 pages, 12 figure

A System for Incubations at High Gas Partial Pressure

High-pressure is a key feature of deep subsurface environments. High partial pressure of dissolved gasses plays an important role in microbial metabolism, because thermodynamic feasibility of many reactions depends on the concentration of reactants. For gases, this is controlled by their partial pressure, which can exceed 1 MPa at in situ conditions. Therefore, high hydrostatic pressure alone is not sufficient to recreate true deep subsurface in situ conditions, but the partial pressure of dissolved gasses has to be controlled as well. We developed an incubation system that allows for incubations at hydrostatic pressure up to 60 MPa, temperatures up to 120°C, and at high gas partial pressure. The composition and partial pressure of gasses can be manipulated during the experiment. To keep costs low, the system is mainly made from off-the-shelf components with only very few custom-made parts. A flexible and inert PVDF (polyvinylidene fluoride) incubator sleeve, which is almost impermeable for gases, holds the sample and separates it from the pressure fluid. The flexibility of the incubator sleeve allows for sub-sampling of the medium without loss of pressure. Experiments can be run in both static and flow-through mode. The incubation system described here is usable for versatile purposes, not only the incubation of microorganisms and determination of growth rates, but also for chemical degradation or extraction experiments under high gas saturation, e.g., fluid–gas–rock-interactions in relation to carbon dioxide sequestration. As an application of the system we extracted organic compounds from sub-bituminous coal using H2O as well as a H2O–CO2 mixture at elevated temperature (90°C) and pressure (5 MPa). Subsamples were taken at different time points during the incubation and analyzed by ion chromatography. Furthermore we demonstrated the applicability of the system for studies of microbial activity, using samples from the Isis mud volcano. We could detect an increase in sulfate reduction rate upon the addition of methane to the sample

Expressionsprofile von ABC-Transportern in Arabidopsis thaliana

Die Superfamilie der ABC-Proteine ist eine der größten bisher bekannten Proteinfamilien. Ihre Mitglieder enthalten ein oder zwei nukleotidbindende Domänen mit je einem Walker A- und B-Motiv, sowie das charakteristische ABC-Motiv. Ein Großteil darunter sind Membranproteine, die zusätzlich ein oder zwei Transmembrandomänen besitzen. Diese ABC-Transporter sind vor allem in Mensch und Hefe charakterisiert, wo sie in zahlreichen Transportprozessen über die Membranen involviert sind. Über die Funktion der ABC-Transporter in pflanzlichen Organismen ist wenig bekannt, jedoch gibt es Hinweise dass diese Proteinfamilie in Pflanzen auch an der Kompartimentierung von Fremdstoffmetaboliten beteiligt ist. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurden 103 ABC-Transportergene annotiert, die sich in 9 Subfamilien aufteilen. Experimentell nachgewiesen wurden bisher lediglich 6 Mitglieder aus 2 Subfamilien. In dieser Arbeit wurden 28 ABC-Transporter aus 6 Subfamilien, davon 4 bisher nicht untersuchte, hinsichtlich organspezifischer Expression und Induktionsverhalten nach Herbizid- bzw. Safenerbehandlung untersucht. Dazu wurde ein DNA-Array ("Detox-Array") mit genspezifischen Sonden zur parallelen Transkriptanalyse etabliert. Zusätzlich wurden in Zusammenarbeit mit anderen Projekten weitere Genfamilien mit einbezogen, die potenziell an der Detoxifizierung von Xenobiotika beteiligt sind (Cytochrom P450 Monooxygenasen, Glutathion-S-Transferasen und UDP-Glycosyltransferasen), um Koregulationen einzelner Mitglieder der unterschiedlichen Genfamilien untersuchen zu können. Um die Unterscheidung auch hoch homologer Mitglieder dieser Familien zu ermöglichen, wurden Sonden aus dem 3‘-untranslatierten Bereich dieser Gene entwickelt und auf ihre Eignung zur Transkriptmessung untersucht. Die Expressionsanalyse der ABC-Transporter in Wurzeln, Stängeln, Blättern, Blütenständen und Schoten zeigte neben den sechs bereits bekannten ABC-Transportern Transkripte von 21 weiteren Vertretern. Die meisten waren in der Wurzel (26 von 28) nachzuweisen, die wenigsten (7 von 28) im Blatt. Am höchsten exprimiert waren AtMRP12 und AtPDR8 in der Wurzel und AtMRP5 in der Schote. Die Induktion der ABC-Transporter durch Xenobiotika wurde an Pflanzen 24h oder 36h nach Behandlung mit unterschiedlichen Chemikalien (Primisulfuron, Bromoxynil, Benoxacor) in sublethalen Dosen untersucht. Für die beiden Herbizide typische Schäden konnten erst 3 Tage nach der Behandlung beobachtet werden. Neben der in der Literatur beschriebenen Primisulfuron-Induktion von AtMRP3 (Tommasini et al., 1997) waren AtPDR8, AtMRP5, AtMRP4 und AtAOH1 transient nach 24h induziert. Mit einem Antiserum, das gegen die Subfamilie der PDR-Transporter erzeugt worden war, konnte deren Induktion durch Primisulfuron und Benoxacor auch auf Proteinebene nachgewiesen werden. Eine spezifische 6-fache Induktion nach Bromoxynil-Behandlung zeigte der ABC-Transporter AtTAP1. Die sechs genannten ABC-Transporter stellen somit Kandidaten dar, die an der Kompartimentierung von Metaboliten beteiligt sein können. Dabei kann es sich entweder um Primisulfuron- bzw. Bromoxynilmetabolite oder durch die Behandlung mit den Xenobiotika entstandene endogene Metabolite handeln. Eine Hauptkomponentenanalyse der Expressionsprofile zeigte, dass auf der Basis der auf dem Detox-Array vertretenen, aus dem Entgiftungs- und Sekundärmetabolismus ausgewählten Genfamilien eine eindeutige Unterscheidung der Antwort auf die verschiedenen Herbizide abgeleitet werden kann. Weitere Daten aus Kollaborationen mit anderen Projekten wurden in einer zweiten Hauptkomponentenanalyse mit einbezogen und zeigen, dass die Unterschiede vor allem auf die sekundären Auswirkungen der Herbizide zurückzuführen sind. Die dabei gefundene Koregulation der Primisulfuron-Behandlung mit der Reaktion auf das Signalmolekül Salicylsäure und ein bakterielles Pathogen ließ weiter schließen, dass Primisulfuron einen Elicitor-ähnlichen Effekt auf die Pflanze hat. Zur weiterführenden Funktionsanalyse von ABC-Transportern wurden parallel zu diesen Arbeiten knock-out Mutanten gesucht. In einer Kollektion des MPI für Züchtungsforschung in Köln konnten zwei Mutanten identifiziert werden, die jeweils ein En-Transposon innerhalb der offenen Leserahmen von AtPDR4 bzw. AtMDR4 besitzen

Lipid systems as Stratum Corneum Models

Die Permeabilität der Haut wird im wesentlichen durch die interzelluläre multilamellare Lipidsubstanz des Stratum corneum bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurden in vitro Modell Lipid Systeme für diese Lipide, bestehend aus ungesättigten Fettsäuren, gesättigten Fettsäuren, Cholesterol und Ceramiden und der Einfluß der einzelnen Komponenten auf die Mikrostruktur der Systeme untersucht. Die physikochemische Charakterisierung der Systeme erfolgte mittels optischer, röntgenographischer und thermoanalytischer Methoden. Die Untersuchung der Systeme ergab, daß die Mikrostruktur von der Zusammensetzung beeinflußt wird. Dabei konnte ein Modell System entwickelt werden, das zu den Stratum corneum Lipiden vergleichbare Eigenschaften aufweist. Weiterhin wurden Permeationsuntersuchungen mit Hilfe eines einfachen Modells durchgeführt, um die Barriereeigenschaften der Modelle und den Effekt der zugesetzten Bestandteile auf die Permeabilität zu untersuchen. Hierbei wurden verschiedene topisch applizierbare Arzneistoffe eingesetzt. Die Permeationsuntersuchungen zeigten, daß sich die Barriereeigenschaften mit den zugesetzten Bestandteilen verändern, wobei eine Korrelation zur Mikrostruktur der Systeme gegeben ist. Eine Mischung aus verschiedenen Fettsäuren, Cholesterol und einem Ceramid Gemisch wird als in vitro Modell vorgeschlagen, mit dem sowohl Permeationsstudien durchgeführt, als auch Interaktionen topisch applizierter Arzneistoffe verfolgt werden können.Stratum corneum consists of several layers of keratinized corneocytes embedded in a lipid matrix of ordered lamellar structure. This lipids are considered to constitute the barrier to percutaneous penetration. Aim of this thesis was to develop an in vitro model system for these lipids. For that purpose mixtures containing unsaturated fatty acids, saturated fatty acids, cholesterol, and ceramides and the influence of these components on the microstructure of these systems were investigated. The systems were characterized using X-ray analysis, optical and thermoanalytical methods. The physicochemical characterization revealed that the microstructure of the systems depends on the composition. An in vitro system was developed which is comparable to stratum corneum lipids regarding the physicochemical properties. Furthermore permeation studies using a simplified model were carried out to investigate the barrier properties of the model lipid systems and the effects of the components on the permeability. Different topically applied drugs were used as donor. The results of the permeation studies revealed that the permeability of the systems is influenced by the added components showing a correlation to the microstructure of the systems. To summarize, a model lipid system containing fatty acids, cholesterol and a mixture of ceramides is proposed as a suitable in vitro model for permeation studies as well as for the investigation of interactions of topically applied drugs

A Service-Oriented Operating System and an Application Development Infrastructure for Distributed Embedded Systems

The paradigm of service-orientation promises a significant ease of use in creating and managing distributed software systems. A very important aspect here is that also application domain experts and stakeholders, who are not necessarily skilled in computer programming, get a chance to create, analyze, and adapt distributed applications. However, up to now, service-oriented architectures have been mainly discussed in the context of complex business applications. In this paper we will investigate how to transfer the benefits of a service-oriented architecture into the field of embedded systems, so that this technology gets accessible to a much wider range of users. As an example, we will demonstrate this scheme for sensor network applications. In order to address the problem of limited device resources we will introduce a minimal operating system for such devices. It organizes all pieces of code running on a sensor node in a service-oriented fashion and also features the relocation of code to a different node at runtime. We will demonstrate that it is possible to design a sensor network application from a set of already existing services in a highly modular way by employing already existing technologies and standards

Effect of simulated gastrointestinal digestion and fermentation on polyphenolic content and bioactivity of brown seaweed phlorotannin-rich extracts

Although phlorotannins, TP levels and antioxidant power of the extracts were strongly reduced after in vitro digestion and fermentation, their anti-genotoxic activity and cell growth inhibitory effect in colon HT-29 cells was maintained and enhanced. HMW was the most effective fraction, indicating that the high molecular weight phlorotannins potentially exert a stronger beneficial effect in the colon