Studies in Molecular Recognition: Non-proteogenic Amino Acids for Antibiotic Studies and Chemosensors for Recognition and Reporting of Metal-ions

The field of molecular recognition focuses on the selective and reversible binding of small guest molecules to larger host molecules. This dissertation describes synthesis of small molecules as binding guests for enzymatic substrates as well as molecules as host chemosensors to detect and identify metal ions. Two approaches to new antibiotic drugs have been explored, and an array of sensors for the quantitation of aqueous metals is being commercialized. As strains of deadly bacteria emerge with evolved resistance to known antibiotics, new drugs are needed with novel mechanisms of action. Natural product antibiotics containing enduracididine, a non-canonical amino acid derived from arginine, have been found effective against resistant organisms. Recently, the biosynthesis of enduracididine has been elucidated by the Silvaggi group. Various derivatives of arginine are of interest as guest molecules for the Mpp family of proteins. We have developed a particularly succinct route to γ-hydroxy-arginine, which has also been used as a precursor to other oxidized arginine derivatives. Our route provides quantities of arginine derivatives which have been synthesized via a four step route utilizing an isoxazoline intermediate. The synthetic methods for formation and subsequent reduction of the isoxazoline have been studied extensively; and this succinct and versatile synthesis yields either γ-hydroxy-arginine or the keto acid derived from it by changing the conditions of the reduction. iii In another approach to developing new antibiotic treatment, we have pursued the inhibition of the β-barrel assembly machine (BAM), through a small molecule scaffold that binds β-sheets. BAMa is the only known β-barrel protein that spontaneously folds, while all others require the help of BAMa. The β-barrel membrane proteins include efflux pumps, proteins for active transport that allow bacterial survival by ejection of antibiotic drugs. Inhibition of BAMa may itself prove bactericidal, or used in combination therapy increase efficacy of drugs rendered previously ineffective due to acquired resistance. We have also developed metal ion chemosensors for simulataneous identification and quantitation of multiple metals. These are useful for monitoring metal ion concentrations in industrial wastewater. Current limitations in measuring metal concentration in wastewater can lead to increased costs and excess solid waste in order to meet compliance standards. Our goal is a simple system to allow continuous, real-time measurement of multiple metals on site to decrease over-treatment and detect spikes in pollutant metals. Utilizing UV/VIS absorption an array of semi-selective sensors each with its own spectral response to metal ions allows identification and concentration of pollutants to be determined. Toward this end, we have prepared chemosensors, demonstrated their sensing ability, and covalently attached them to transparent polymers and transparent supports in several ways that allow repeated use for metal-ion measurement. These dyes have been studied in solution and when covalently bound to polymers. Dyes with complementary metal-selectivity allow for high information from a few sensors; a model using three sensors has been demonstrated to simultaneously measure the concentration of seven metals in solution

Adult parasite burden and excretion of first-stage larvae of Angiostrongylus vasorum in dogs: Methodologically relevant diagnostic aspects and associations with serological detection of parasite antigen and specific antibodies

Angiostrongylus vasorum is a widely distributed cardiopulmonary parasite of canids in Europe. Clinical signs in dogs can be highly variable and diagnostically challenging. A correct and early diagnosis is hence indispensable to adequately manage affected patients. First-stage larvae (L1) are excreted in the faeces of definitive hosts and conventionally identified using the Baermann technique. Moreover, ELISAs for the detection of circulating antigen and specific antibodies have been presented. The current study aimed at i) quantitatively assessing larval migration in the Baermann funnel after 12 h and 24 h; ii) investigating the influence of sample storage at 4 °C over the course of three days on the number of detected L1; iii) evaluating potential associations of adult worm burdens with larval shedding in dogs and ELISA optical density (OD) values for circulating parasite antigen and specific antibodies. Faecal samples were obtained from naturally infected dogs (n = 21) and Baermann funnels were set up in duplicate over the course of four consecutive days (days 0–3) starting with the day of sample collection. Funnels were harvested on days 1–4 after 12 and 24 h, respectively, and the number of L1 per gram faeces (LPG) was determined. The LPG did not differ between larval harvest after 12 h from harvest after 24 h. Storage of faecal samples at 4 °C for two and three days entailed a considerable decrease in LPG. Adult worm burdens and larval excretion data from previous experiments demonstrated a correlation between worm burden and LPG. In contrast, no correlations between worm burden and the level of parasite antigen and specific antibody OD values, respectively, were identified. Thus, OD values of both antigen and antibody ELISA did not allow for conclusions on infection intensity reflected by the number of adult parasites. For the detection of L1 in faeces, 12 or 24 h of larval migration time was not discriminating for A. vasorum positivity. Thus, early processing of faecal samples is essential, since larval detection and hence sensitivity of the approach considerably decreased over the course of three days of storage. Therefore, the common recommendation to collect faecal samples for three consecutive days and to subsequently analyse them needs to be reconsidered. The results of this study can be readily translated into precise recommendations for daily practice to adequately assess A. vasorum infected dogs

Data science on industrial data -- Today's challenges in brown field applications

Much research is done on data analytics and machine learning. In industrial processes large amounts of data are available and many researchers are trying to work with this data. In practical approaches one finds many pitfalls restraining the application of modern technologies especially in brown field applications. With this paper we want to show state of the art and what to expect when working with stock machines in the field. A major focus in this paper is on data collection which can be more cumbersome than most people might expect. Also data quality for machine learning applications is a challenge once leaving the laboratory. In this area one has to expect the lack of semantic description of the data as well as very little ground truth being available for training and verification of machine learning models. A last challenge is IT security and passing data through firewalls

Buckling Analysis of Non-orthotropic Laminates by Means of B-Spline Functions

Whereas the buckling of rectangular laminate plates with symmetrical layup and an effectively orthotropic behaviour is well understood, the situation gets more complicated when an arbitrary symmetrical layup is admitted. Then twist coupling has to be taken into account. This can be accomplished in a consistent way by an energetic variational approach. In doing so, the use of B-spline functions turns out to be very appropriate for the deflection representation in connection with various kinds of boundary conditions. Validating finite element analyses show the good efiiciency of B-spline functions for the buckling analysis. The eflect of twist coupling on the resultant buckling loads turns out to be considerable. It can be both conservative and non-conservative and should always be taken into account carefully

Case report: Infection with Dicrocoelium dendriticum in a Japanese Chin dog

Dicrocoelium dendriticum is a trematode colonising the bile ducts of herbivores. Coproscopic findings in dogs are usually considered gastrointestinal passages of eggs after ingestion of unheated liver tissue or infected ruminant faeces. Here, a Japanese Chin presented with diarrhoea and weight loss. Eggs comparable to D. dendriticum were detected in faeces and infection was confirmed via PCR and by ruling out differential diagnoses. Egg excretion continued for a period of 10 months. Praziquantel (50 mg/kg body weight [BW]) was administered orally for four consecutive days. Egg excretion 10 days after treatment entailed further treatments with 100 mg/kg BW, again for four days. Faecal samples were negative ten days and four weeks afterwards, diarrhoea resolved, and the dog gained weight. In cases of repeated coproscopic positivity for D. dendriticum, an infection with dogs acting as definitive hosts should be considered. Treatment with praziquantel at a higher dosage may be required

Kristallisationskinetik von Forsterit in dünnen amorphen Schichten bei hohen Temperaturen - Labordaten zur Modellierung von protoplanetaren Schichten

Neue Experimente zum thermischen Ausheilen amorpher Silikate in protoplanetaren Scheiben Die Simulationen protoplanetarer Scheiben mit gegebener Temperaturverteilung und gegebener Häufigkeit der Elemente Magnesium, Sauerstoff und Silizium ergaben charakteristische Verteilungen der sich bildenden Minerale als Funktion des Abstands zum Proto-Stern (z.B. Gail 1998). Bei vereinfachten Modellen finden sich im inneren Bereich der Scheibe vor allem kristalliner Forsterit (Mg2SiO4) und mit zunehmendem radialen Abstand auch z.B. Pyroxene. Reliktischer amorpher Staub aus dem interstellaren Rohmaterial der Wolke ist ebenfalls vorhanden, von innen nach aussen zunehmend. Die Prozesse, die diese Silikat-Minerale entstehen lassen, sind das thermisches Ausheilen (engl. Annealing) der Staubkomponente einerseits und Verdampfung und Kondensation andererseits, jeweils abhängig von den Temperatur- und Druckbedingungen im entsprechenden Bereich der Scheibe. In dieser Arbeit wurden die kinetischen Parameter – Zeitskala und Aktivierungsenergie – des Kristallisationsprozesses einer amorphen Probe mit Forsteritzusammensetzung bestimmt. Die Aktivierungsenergie umfasst zwei verschiedene Vorgänge: Keimbildung und Keimwachstum. Für die Modellierung der Temperprozesse, für das Verständnis der physikochemischen Prozesse und die radiale Abhängigkeit der Verteilung der amorphen bzw. kristallinen Staubphasen der Scheibe in verschiedenen Entwicklungsstadien sind verlässliche Labordaten unabdingbar. Erstmals wurde die Kristallisation dünner amorpher Filme mit Forsteritzusammensetzung durch Standardmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie, dokumentiert und direkt mit Infrarotdaten korreliert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt beim Tempern, einem Prozess, der als subsolidus Reaktion beim Erhitzen eines amorphen Körpers über einen langen Zeitraum stattfindet und der zu seiner Kristallisation führt. Im Gegensatz zu früheren Studien wurde hier großer Wert auf die chemische und strukturelle Analyse der Ausgangsmaterialien und der Reaktionsprodukte vor allem durch die Kombination von Standardmethoden zur Charakterisierung der Proben gelegt. Die Präparation der amorphen Ausgangmaterialien erfolgte in Form von dünnen Filmen, die mittels ”Pulsed Laser Deposition“ auf einen Träger, das Substrat, aufgebracht wurden. Bei der Beschichtung wurde nur ein Teil des Substrats von dem Probenmaterial bedeckt, so dass der unbeschichtete Teil als Referenz dienen konnte. Besonders Augenmerk wurde auf die Auswahl eines geeigneten Substrates gelegt, welches möglichst nicht mit der Probe reagiert, sich während des Temperns nicht verformt und somit für die angestrebten Analysen geeignet ist. Zum Tempern unter Normalbedingungen wurde ein vertikaler Rohrofen mit einer Abschreckvorrichtung verwendet. Durch das schnelle Einbringen der Probe in die heiße Zone des Ofens wird die Endtemperatur nach maximal fünf Minuten erreicht und durch das Abschrecken der Probe ein Abkühlen auf Raumtemperatur in weniger als einer Minute. Es wurden insgesamt 123 Proben bei Temperaturen zwischen 1023 und 1123 K im Bereich von 30 Minuten bis hin zu über einem Monat getempert und anschließend charakterisiert (Kapitel 2). Die Abbildung der Oberfläche (Kapitel 2) mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte bei ungetemperten Proben eine sehr glatte, kontinuierliche Topographie. Bei hohen Temperaturen bilden sich bereits nach kurzer Zeit zwei unterschiedliche Strukturen aus. Die eine ist kegelförmig, hat also eine runde Grundfläche und erhebt sich mit einer Spitze über den Film hinaus. An deren Rand befindet sich eine Vertiefung, die die Struktur radial umläuft. Die andere Struktur ist pyramidal, hat eine rechteckige Grundfläche und erhebt sich ebenfalls über die Filmoberfläche hinaus. Bei den pyramidalen Strukturen sind eindeutig Kristallflächen zu erkennen und zuzuordnen. Für hohe Temperaturen zeigen die pyramidalen Strukturen auch oft Verzwillingungen, die sich durch sogenannte einspringende Winkel auszeichnen. Die kegelförmigen Strukturen bilden bei höheren Temperaturen oder längeren Temperzeiten radialstrahlige, sphärolithische flache Domänen, die auf ein beschleunigtes Wachstum mit instabiler Wachstumsfront schliessen lassen. Vollkristalline Proben zeigen pyramidale Strukturen in einer polykristallinen Matrix bestehend, die unter anderem aus einzelnen Bereichen mit sphärolithischen Strukturen besteht. Die Ränder der pyramidalen Strukturen können noch klar abgegrenzt sein, sind jedoch auch teilweise unregelmässig und zeugen von einer Verschmelzung einzelner Bereiche. Je länger die Proben getempert wurden, desto mehr sind die pyramidalen mit den sphärolithischen Strukturen verwachsen. Aus den Aufnahmen des Rasterkraftmikroskops konnte die Oberflächenrauigkeit der Proben bestimmt werden. Zwischen dem Auftreten der ersten Strukturen und dem Übergang zur vollständigen Kristallisation steigt diese an, um nach dem Verschmelzen der Bereiche wieder abzunehmen. Mit zunehmender Laufzeit verändert sich auch die Matrix zwischen den sphärolithischen und pyramidalen Strukturen: aus der anfangs glatten, strukturlosen Oberfläche bilden sich zuerst kleine Erhebungen heraus, die sich dann zu länglichen, zufällig in der Matrix verteilten Mikrolithen verschiedener Größen entwickeln. Ihr Anteil nimmt mit längerer Laufzeit des Versuchs zu, doch eine eindeutige quantitative Bestimmung des amorphen bzw. kristallinen Anteils ist kaum möglich. Ergänzend zu den AFM und REM Untersuchungen wurden, mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB), Schnitte der Probe senkrecht zur Probenoberfläche entnommen und mit einem Transmissionselektronenmikroskop untersucht (Kapitel 4). Diese Untersuchungen zeigten, dass die Kristallisation an der Oberfläche beginnt und die Kristalle von einer noch amorphen Matrix umgeben sind und keinen Kontakt zum Substrat haben. Die Matrix ist uniform und zeigt keine Risse oder andere Deformationen. Die Kristalle konnten mittels Elektronenbeugung eindeutig als Forsterit Einkristalle identifiziert werden. Ihre kristallographischen Richtungen sind unabhängig voneinander, d. h. dass die Wachstumsrichtungen statistisch verteilt sind. Für die quantitative Analyse (Kapitel 5) der Rasterelektronenmikroskop- und Rasterkraftmikroskop Aufnahmen wurden bekannte Flächen- und Punktdichte-Auswertungsmethoden (Kapitel 4) an die Erfordernisse dieser Arbeit angepasst und so die Größe der Kristalle, die Anzahl von Kristallen pro Flächeneinheit und der Flächenanteil der Kristalle bestimmt. Hieraus wurden dann die Wachstumsgeschwindigkeit, die Häufigkeit kristalliner Strukturen pro Flächeneinheit und der Grad der Kristallisation berechnet. Alle Proben und die unbeschichteten Referenzproben wurden in Transmission im mittleren und fernen Infrarot charakterisiert. Die Spektren konnten dank eines unveränderlichen, vom Substrat stammenden Absorptionsbandes, skaliert werden. Mit Hilfe der Spektren der unbeschichteten Hälfte konnten alle Banden eindeutig dem Substrat, dem während des Temperns oxidierten Substrat oder der Probe zugeordnet. Anschließend wurden Gaußprofile über den gesamten Messbereich angepasst. Die Extrapolation der Höhe der einzelnen Infrarot-Banden des Forsterits in Abhängigkeit von der Temperatur erlaubte die Bestimmung des Beginns der Kristallisation, welche den Daten aus den Analysen des Rasterelektronenmikroskops und Rasterkraftmikroskops gegenübergestellt wurden. Die kinetischen Daten dieser Studie, die aus AFM- und REM-Messungen abgeleitet wurden, decken einen Bereich von 100 K mit sieben Messpunkten ab und erlauben eine genauere Bestimmung des Beginns der Kristallisation in Abhängigkeit von der Tempertemperatur. Bisherige Versuche den Beginn der Kristallisation ausschliesslich über das Vorhandensein charakteristischer Infrarotbanden oder das Wachstum von Infrarotbanden zu definieren, zeigten sich als wenig verläasslich. Die Kombination der topographischen Analysen mit der Infrarotspektroskopie erlaubt jedoch nicht nur einen genaueren Einblick in die Kristallisation selbst, sondern auch eine direkte Korrelation der aus den verschiedenen Methoden gewonnenen Daten. Der Vergleich mit bisherigen Studien zeigt klar, dass die Wahl der Ausgangsmaterialien von entscheidender Bedeutung ist. Eine deutliche Beschleunigung der Kristallisation kann z.B. bei der Verwendung eisenhaltiger Proben, gewonnen aus natürlich vorkommendem San Carlos Olivin, oder Proben, die vor dem Tempern bereits Mikrokristallite beinhalten oder unstöchiometrischer Proben auftreten. Mit dieser Arbeit liegt eine Reihe verlässlicher und konsistenter Labordaten der Kristallisation eines dünnen Films mit der Zusammensetzung von Forsterit vor und kann als Basis für eine verfeinerte Modellierung verwendet werden