Efficient Grouping Methods for the Annotation and Sorting of Single Cells

Lux M. Efficient Grouping Methods for the Annotation and Sorting of Single Cells. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2018.Insights into large-scale biological data require computational methods which reliably and efficiently recognize latent structures and patterns. In many cases, it is necessary to find homogeneous subgroups of the data in order to solve complex problems and to enable the discovery of novel knowledge. Here, clustering and classification techniques are commonly employed in all fields of research. Confounding factors often complicate data analysis and require a thorough choice of methods and parameters. This thesis is focused on methods around single-cell research - I developed, evaluated, compared and adapted grouping methods for open problems from three different technologies: First, metagenomics is typically confronted with the problem of detecting clusters representing involved species in a given sample (binning). Albeit powerful technologies exist for the identification of known taxa, de novo binning is still in its infancy. In this context, I evaluated optimal choices of techniques and parameters regarding the integration of modern machine learning methods, such as dimensionality reduction and clustering, resulting in an automated binning pipeline. Second, in single-cell sequencing, a major problem is given by sample contamination with foreign genomic material. From a computational point of view, in both metagenomics and single-cell genome assemblies, genomes can be represented as clusters. Contrary to metagenomics, the clustering task for single cells is a fundamentally different one. Here, I developed a methodology to automatically detect contamination and estimate confidences in single-cell genome assemblies. A third challenge can be seen in the field of flow cytometry. Here, the precise identification of cell populations in a sample is crucial and requires manual, tedious, and possibly biased cell annotation. Automated methods exist, however they require difficult fine-tuning of hyper-parameters to obtain the best results. To overcome this limitation, I developed a semi-supervised tool for cell population identification, with few very robust parameters, being fast, accurate and interpretable at the same time

Verbesserung der Vergleichbarkeit der Öko-Landessortenversuche mit der BSL

In den Jahren 2010 bis 2012 wurden auf 25 langjährig ökologisch bewirtschafteten Flächen bundesweit Winterweizen Sortenversuche in Exaktanlage durchgeführt. Darin enthalten war ein auf allen Standorten identisches Sortiment bestehend aus vier Ökozüchtungen. Von insgesamt 23 Sorten wurden detailiertere Auswertungen vorgenommen. Das Vorhaben gliedert sich in mehrere Schritte. Das bestehende Datentransfer- und Datenbanksystem PIAF (Planung, Information und Auswertung im Feldversuchswesen) wurde um speziell für den ökologischen Landbau bedeutsame zusätzliche Merkmale, die auf die besonderen Bedürfnisse des ökologischen Landbaus zugeschnitten wurden, ergänzt. Zusätzlich wurden Bonituren wie Bodendeckungsgrad (in %) oder Blattstellung sowie die Bestimmung des Feuchtklebergehaltes vorgenommen. Die Auswertung erfolgte mit Hilfe der Hohenheim-Gülzower-Methode. Dazu wurden Anbaugebiete, bestehend aus bis zu sechs Versuchsstandorten gebildet. Diese Vorgehensweise wird Grundlage einer speziellen, nunmehr beschlossenen Ökowertprüfung sein. Es zeigt sich, dass die Ökozüchtungen sich in Ertrag wie Qualität erheblich von den konventionell gezüchteten Sorten unterscheiden. In einem zweiten Teil des Vorhabens wurde an 14 Standorten die Lichttransmission in den Beständen gemessen und mit den geschätzten Werten des Bodendeckungsgrades verglichen. NIRS-Untersuchungen zeigten, dass neben dem Gehalt an Rohprotein auch der Feuchtkleber hinreichend gut geschätzt werden kann

Assessment of Chemical and Electronic Surface Properties of the Cu2ZnSn(SSe)4 after Different Etching Procedures by Synchrotron-based Spectroscopies

Kesterite Cu2ZnSn(S,Se)4 absorber layers with different [S]/([S]+[Se]) ratios were studied using XPS, UPS, Hard X-ray (HIKE) photoemission and the Near Edge X-ray Absorption Fine Structure spectroscopy (NEXAFS). The samples were prepared by IREC using sequentially sputtered metallic precursor stacks with metal ratios of [Cu]/([Zn]+[Sn])=0.80, [Zn]/[Sn]=1.20 followed by annealing under S+Se+Sn atmosphere. Different etching procedures were used depending on the sample's composition. It is shown that the surface composition varies from that of the bulk, especially for the Se-rich samples. Contamination with sulfur is detected after using a Na2S etching solution for the pure Se kesterite. A Cu-depleted surface was found for all samples before and after etching. HIKE measurements show a higher [Zn]/[Sn] ratio in the near surface region than on the very surface. This is explained by the fact, the etching procedure removes secondary phases from the very few surface layers, while some of ZnS(e) is still buried underneath. In order to investigate the band gap transition from the pure sulfide (1.5 eV) to the pure selenide (1eV), the valence and conduction band of the respective absorbers were probed. According to UPS and HIKE measurements, the relative distance between Fermi level (Ef) and valance band maximum (VBM) for sulfide sample was 130 meV larger than for selenide. Using NEXAFS on the copper, zinc and tin edges, the development of the conduction band with increasing [S]/([S]+[Se]) ratios was studied. Stoichiometric powder samples were used as reference materials. © 2015 Published by Elsevier Ltd.Peer ReviewedPostprint (published version

Auswirkung differenzierter mechanischer Bodenbelastungen auf die Erträge von Erbse, Hafer und Erbse-Hafer-Gemenge

Die nachhaltige Erhaltung und Steigerung der Bodenfruchtbarkeit ist für ökologisch wirtschaftende Betriebe von höchster Bedeutung. Im Ökologischen Landbau hängt das Niveau der Bodenfruchtbarkeit – abgesehen von den kaum zu beeinflussenden standörtlichen Gegebenheiten – sehr von der Leistungsfähigkeit der Leguminosen ab. Vor allem durch ihre Fähigkeit, Luftstickstoff zu binden und diesen für ihr eigenes Wachstum sowie für die Folgekulturen verfügbar zu machen, bilden Leguminosen die Grundlage der Bodenfruchtbarkeit im Ökologischen Landbau. In der Konsequenz bedeutet dies, dass Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit der Leguminosen nicht nur deren eigenen Ertrag sondern auch die Leistungsfähigkeit der gesamten Fruchtfolge am Standort begrenzen. Speziell für vieharme oder viehlose Öko-Betriebe könnte es gewinnbringend sein, großkörnige Leguminosen (Erbse, Ackerbohne) ergänzend zu Kleegras zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit in die Fruchtfolge zu integrieren. Andererseits reagieren aber gerade Körnerleguminosen besonders empfindlich auf Beeinträchtigungen, sei es durch geringe Verfügbarkeit von Nährstoffen wie Phosphor und Kali, durch das Vorhandensein von boden- oder samenbürtigen Pathogenen oder durch Verdichtungen im Wurzelraum. Die Bodenbearbeitung im Öko-Anbau ist vergleichsweise intensiv, und das Risiko für Bodenverdichtungen daher hoch. Ziel ist es, Aussagen über den Einfluss von Bodenverdichtungen auf den Ertrag von Erbsen machen zu können. Zusätzlich soll geklärt werden, welchen Einfluss mechanische Bodenbeanspruchung auf die Bestandsentwicklung, das Auftreten von Wurzel- und Sprosskrankheiten und den Schädlingsbefall von Erbsen, Erbsen-Hafer-Gemenge und Hafer hat. Dazu wurden an vier Standorten in Deutschland im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung geförderten Verbundprojektes „Belastungsversuche“ angelegt

Mechanische Bodenbelastung - Effekte auf Eigenschaften des Oberbodens und den Ertrag von Erbse in Reinsaat und im Gemenge

In organic agriculture legumes build the basis of soil fertility. A diminution of the legumes´ performance not only restricts their own yield but also the yield of the whole crop rotation. However, legumes – especially peas – are strongly affected by soil-born diseases and react sensitively to soil compaction. Aim of the study is to gain knowledge about the interaction of differentiated soil compaction on soil physical parameters and the yield of peas in a sole- and mixed cropping system with oat. We conducted field trials at four different sites where plots were passed with a wheel load of 2.6 t and 4.6 t before seeding. Results show that bulk density in the topsoil increased significantly with increasing wheel load, while soil porosity decreased. Compaction with 4.6 t resulted in 19 % less yield compared to unpassed plots, which corresponds to 8 % less yield performance per hectare when assuming a tire of 650 mm width and a working width at sowing of 3 m

Optimierung des Managements der Bodenfruchtbarkeit - Auswirkung von Bodenbelastung auf die Bodenstruktur und den Ertrag von Erbse und Hafer

Die nachhaltige Erhaltung und Steigerung der Bodenfruchtbarkeit ist für ökologisch wirtschaftende Betriebe von höchster Bedeutung. Im ökologischen Landbau hängt das Niveau der Bodenfruchtbarkeit – abgesehen von den kaum zu beeinflussenden standörtlichen Gegebenheiten – sehr von der Leistungsfähigkeit der Leguminosen ab. Vor allem durch ihre Fähigkeit, Luftstickstoff zu binden und diesen für ihr eigenes Wachstum sowie für die Folgekulturen verfügbar zu machen, bilden Leguminosen die Grundlage der Bodenfruchtbarkeit im ökologischen Landbau. In der Konsequenz bedeutet dies, dass Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit der Leguminosen nicht nur deren eigenen Ertrag sondern auch die Leistungsfähigkeit der gesamten Fruchtfolge am Standort begrenzen. Speziell für vieharme oder viehlose Öko-Betriebe könnte es gewinnbringend sein, großkörnige Leguminosen (Erbse, Ackerbohne) ergänzend zu Kleegras zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit in die Fruchtfolge zu integrieren. Andererseits reagieren aber gerade Körnerleguminosen besonders empfindlich auf Beeinträchtigungen, sei es durch geringe Verfügbarkeit von Nährstoffen wie Phosphor und Kali, durch das Vorhandensein von boden- oder samenbürtigen Pathogenen oder durch Verdichtungen im Wurzelraum. Die Bodenbearbeitung im Öko-Anbau ist vergleichsweise intensiv, und das Risiko für Bodenverdichtungen daher hoch. Ein interdisziplinäres Forschungsprojekt mit Projektpartnern aus Deutschland und der Schweiz beschäftigt sich mit dieser komplexen Thematik (www.bodenfruchtbarkeit.org). Ziel des an der LfL bearbeiteten Arbeitspaketes ist es, Aussagen über den Einfluss von Bodenverdichtungen auf den Ertrag von Erbsen und das Auftreten von Wurzel- und Sprosskrankheiten machen zu können. Dazu wurden an vier Standorten in Deutschland im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojektes Belastungsversuche angelegt. Darüber hinaus findet ein Monitoring auf 32 Praxisbetrieben in ganz Deutschland statt, bei dem der bodenphysikalische Zustand der Flächen im Ober- und Unterboden beurteilt wird

AmiA and AliA peptide ligands are secreted by Klebsiella pneumoniae and inhibit growth of Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae colonizes the human nasopharynx, a multi-species microbial niche. Pneumococcal Ami-AliA/AliB oligopeptide permease is an ABC transporter involved in environmental sensing with peptides AKTIKITQTR, FNEMQPIVDRQ, and AIQSEKARKHN identified as ligands of its substrate binding proteins AmiA, AliA, and AliB, respectively. These sequences match ribosomal proteins of multiple bacterial species, including Klebsiella pneumoniae. By mass spectrometry, we identified such peptides in the Klebsiella pneumoniae secretome. AmiA and AliA peptide ligands suppressed pneumococcal growth, but the effect was dependent on peptide length. Growth was suppressed for diverse pneumococci, including antibiotic-resistant strains, but not other bacterial species tested, with the exception of Streptococcus pseudopneumoniae, whose growth was suppressed by the AmiA peptide ligand. By multiple sequence alignments and protein and peptide binding site predictions, for AmiA we have identified the location of an amino acid in the putative binding site whose mutation appears to result in loss of response to the peptide. Our results indicate that pneumococci sense the presence of Klebsiella pneumoniae peptides in the environment

Extent of primary breast cancer surgery: standards and individualized concepts

Surgery is still a main therapeutic option in breast cancer treatment. Nowadays, methods of resection and reconstruction vary according to different tumors and patients. This review presents and discusses standards of care and arising questions on how radical primary breast cancer surgery should be according to different clinical situations. In most early breast cancer patients, breast conservation is the method of choice. The discussion on resection margins is still controversial as different studies show conflicting results. Modified radical mastectomy is the standard in locally advanced breast cancer patients, although there are different promising approaches to spare skin or even the nipple-areola complex. A sentinel node biopsy is the standard of care in clinically node-negative invasive breast cancer patients, whereas the significance of axillary lymphonodectomy seems to be questioned through a number of different findings. Although there are interesting findings to modify surgical approaches in very young or elderly breast cancer patients, it will always be an individualized approach if we do not adhere to current guidelines. Up to date, there are no special surgical procedures in BRCA mutation carriers or patients of high-risk families

Transient Receptor Potential Vanilloid 6 (TRPV6) Proteins Control the Extracellular Matrix Structure of the Placental Labyrinth

Calcium-selective transient receptor potential Vanilloid 6 (TRPV6) channels are expressed in fetal labyrinth trophoblasts as part of the feto–maternal barrier, necessary for sufficient calcium supply, embryo growth, and bone development during pregnancy. Recently, we have shown a less- compact labyrinth morphology of Trpv6-deficient placentae, and reduced Ca2+ uptake of primary trophoblasts upon functional deletion of TRPV6. Trpv6-/- trophoblasts show a distinct calcium-dependent phenotype. Deep proteomic profiling of wt and Trpv6-/- primary trophoblasts using label-free quantitative mass spectrometry leads to the identification of 2778 proteins. Among those, a group of proteases, including high-temperature requirement A serine peptidase 1 (HTRA1) and different granzymes are more abundantly expressed in Trpv6-/- trophoblast lysates, whereas the extracellular matrix protein fibronectin and the fibronectin-domain-containing protein 3A (FND3A) were markedly reduced. Trpv6-/- placenta lysates contain a higher intrinsic proteolytic activity increasing fibronectin degradation. Our results show that the extracellular matrix formation of the placental labyrinth depends on TRPV6; its deletion in trophoblasts correlates with the increased expression of proteases controlling the extracellular matrix in the labyrinth during pregnancy

Evolution of MPCV Service Module Propulsion and GNC Interface Requirements

The Orion Multi-Purpose Crew Vehicle Service Module Propulsion Subsystem provides propulsion for the integrated Crew and Service Module. Updates in the exploration architecture between Constellation and MPCV as well as NASA's partnership with the European Space Agency have resulted in design changes to the SM Propulsion Subsystem and updates to the Propulsion interface requirements with Guidance Navigation and Control. This paper focuses on the Propulsion and GNC interface requirement updates between the Constellation Service Module and the European Service Module and how the requirement updates were driven or supported by architecture updates and the desired use of hardware with heritage to United States and European spacecraft for the Exploration Missions, EM-1 and EM-2