Principles and theory of protein-based pattern formation

Biological systems perform functions by the orchestrated interplay of many small components without a "conductor." Such self-organization pervades life on many scales, from the subcellular level to populations of many organisms and whole ecosystems. On the intracellular level, protein-based pattern formation coordinates and instructs functions like cell division, differentiation and motility. A key feature of protein-based pattern formation is that the total numbers of the involved proteins remain constant on the timescale of pattern formation. The overarching theme of this thesis is the profound impact of this mass-conservation property on pattern formation and how one can harness mass conservation to understand the underlying physical principles. The central insight is that changes in local densities shift local reactive equilibria, and thus induce concentration gradients which, in turn, drive diffusive transport of mass. For two-component systems, this dynamic interplay can be captured by simple geometric objects in the (low-dimensional) phase space of chemical concentrations. On this phase-space level, physical insight can be gained from geometric criteria and graphical constructions. Moreover, we introduce the notion of regional (in)stabilities, which allows one to characterize the dynamics in the highly nonlinear regime reveals an inherent connection between Turing instability and stimulus-induced pattern formation. The insights gained for conceptual two-component systems can be generalized to systems with more components and several conserved masses. In the minimal setting of two diffusively coupled "reactors," the full dynamics can be embedded in the phase-space of redistributed masses where the phase space flow is organized by surfaces of local reactive equilibria. Building on the phase-space analysis for two component systems, we develop a new approach to the important open problem of wavelength selection in the highly nonlinear regime. We show that two-component reaction–diffusion systems always exhibit uninterrupted coarsening (the continual growth of the characteristic length scale) of patterns if they are strictly mass conserving. Selection of a finite wavelength emerges due to weakly broken mass-conservation, or coupling to additional components, which counteract and stop the competition instability that drives coarsening. For complex dynamical phenomena like wave patterns and the transition to spatiotemporal chaos, an analysis in terms of local equilibria and their stability properties provides a powerful tool to interpret data from numerical simulations and experiments, and to reveal the underlying physical mechanisms. In collaborations with different experimental labs, we studied the Min system of Escherichia coli. A central insight from these investigations is that bulk-surface coupling imparts a strong dependence of pattern formation on the geometry of the spatial confinement, which explains the qualitatively different dynamics observed inside cells compared to in vitro reconstitutions. By theoretically studying the polarization machinery in budding yeast and testing predictions in collaboration with experimentalists, we found that this functional module implements several redundant polarization mechanisms that depend on different subsets of proteins. Taken together, our work reveals unifying principles underlying biological self-organization and elucidates how microscopic interaction rules and physical constraints collectively lead to specific biological functions.Biologische Systeme führen Funktionen durch das orchestrierte Zusammenspiel vieler kleiner Komponenten ohne einen "Dirigenten" aus. Solche Selbstorganisation durchdringt das Leben auf vielen Skalen, von der subzellulären Ebene bis zu Populationen vieler Organismen und ganzen Ökosystemen. Auf der intrazellulären Ebene koordiniert und instruieren proteinbasierte Muster Funktionen wie Zellteilung, Differenzierung und Motilität. Ein wesentliches Merkmal der proteinbasierten Musterbildung ist, dass die Gesamtzahl der beteiligten Proteine auf der Zeitskala der Musterbildung konstant bleibt. Das übergreifende Thema dieser Arbeit ist es, den tiefgreifenden Einfluss dieser Massenerhaltung auf die Musterbildung zu untersuchen und Methoden zu entwickeln, die Massenerhaltung nutzen, um die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien von proteinbasierter Musterbildung zu verstehen. Die zentrale Erkenntnis ist, dass Änderungen der lokalen Dichten lokale reaktive Gleichgewichte verschieben und somit Konzentrationsgradienten induzieren, die wiederum den diffusiven Transport von Masse antreiben. Für Zweikomponentensysteme kann dieses dynamische Wechselspiel durch einfache geometrische Objekte im (niedrigdimensionalen) Phasenraum der chemischen Konzentrationen erfasst werden. Auf dieser Phasenraumebene können physikalische Erkenntnisse durch geometrische Kriterien und grafische Konstruktionen gewonnen werden. Darüber hinaus führen wir den Begriff der regionalen (In-)stabilität ein, der es erlaubt, die Dynamik im hochgradig nichtlinearen Regime zu charakterisieren und einen inhärenten Zusammenhang zwischen Turing-Instabilität und stimulusinduzierter Musterbildung aufzuzeigen. Die für konzeptionelle Zweikomponentensysteme gewonnenen Erkenntnisse können auf Systeme mit mehr Komponenten und mehreren erhaltenen Massen verallgemeinert werden. In der minimalen Fassung von zwei diffusiv gekoppelten "Reaktoren" kann die gesamte Dynamik in den Phasenraum umverteilter Massen eingebettet werden, wobei der Phasenraumfluss durch Flächen lokaler reaktiver Gleichgewichte organisiert wird. Aufbauend auf der Phasenraumanalyse für Zweikomponentensysteme entwickeln wir einen neuen Ansatz für die wichtige offene Fragestellung der Wellenängenselektion im hochgradig nichtlinearen Regime. Wir zeigen, dass "coarsening" (das stetige wachsen der charakteristischen Längenskala) von Mustern in Zweikomponentensystemen nie stoppt, wenn sie exakt massenerhaltend sind. Die Selektion einer endlichen Wellenlänge entsteht durch schwach gebrochene Massenerhaltung oder durch Kopplung an zusätzliche Komponenten. Diese Prozesse wirken der Masseumverteilung, die coarsening treibt, entgegen und stoppen so das coarsening. Bei komplexen dynamischen Phänomenen wie Wellenmustern und dem Übergang zu raumzeitlichen Chaos bietet eine Analyse in Bezug auf lokale Gleichgewichte und deren Stabilitätseigenschaften ein leistungsstarkes Werkzeug, um Daten aus numerischen Simulationen und Experimenten zu interpretieren und die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen aufzudecken. In Zusammenarbeit mit verschiedenen experimentellen Labors haben wir das Min-System von Escherichia coli untersucht. Eine zentrale Erkenntnis aus diesen Untersuchungen ist, dass die Kopplung zwischen Volumen und Oberfläche zu einer starken Abhängigkeit der Musterbildung von der räumlichen Geometrie führt. Das erklärt die qualitativ unterschiedliche Dynamik, die in Zellen im Vergleich zu in vitro Rekonstitutionen beobachtet wird. Durch die theoretische Untersuchung der Polarisationsmaschinerie in Hefezellen, kombiniert mit experimentellen Tests theoretischer Vorhersagen, haben wir herausgefunden, dass dieses Funktionsmodul mehrere redundante Polarisationsmechanismen implementiert, die von verschiedenen Untergruppen von Proteinen abhängen. Zusammengenommen beleuchtet unsere Arbeit die vereinheitlichenden Prinzipien, die der intrazellulären Selbstorganisation zugrunde liegen, und zeigt, wie mikroskopische Interaktionsregeln und physikalische Bedingungen gemeinsam zu spezifischen biologischen Funktionen führen

Aligning Strategic Human Resource Management To Human Resources, Performance And Reward

In a rapidly changing business environment, one may recognise the words “the only thing constant in life is change” by French author Francois de la Rockefoucauld. Yet, with on-going change, it can be difficult to know what to do and how to do it. The world out there is harsh and competition is fierce. Indeed, the world is changing at a rapid pace. Therefore, both public and private sectors have to plan for the future and prepare for any unforeseen circumstance. This paper will discuss the link between Strategic Human Resource Management, Human resources, Performance and Reward, what we know, and the future direction of Strategic Human Resource Management. Strategic Human Resource Management involves making those decisions that define the overall vision, mission, core values and objectives of the organisation, thus determining the most effective utilisation of its resources. Walker (1992: 16) states that Strategic Management enables managers to respond to environmental changes based on a defined business mission, vision and values. Strategies are directional plans that guide management actions in the pursuit of opportunities. In essence, strategies point the way for the most promising changes. They are plans that give direction and address people related business issues. Human Resource strategies are important because they help determine how to manage people in relation to business strategies. Strategic Human Resource Management aligns Human Resources, which is necessary for the success of the organisation

Palladium gates for reproducible quantum dots in silicon

We replace the established aluminium gates for the formation of quantum dots in silicon with gates made from palladium. We study the morphology of both aluminium and palladium gates with transmission electron microscopy. The native aluminium oxide is found to be formed all around the aluminium gates, which could lead to the formation of unintentional dots. Therefore, we report on a novel fabrication route that replaces aluminium and its native oxide by palladium with atomic-layer-deposition-grown aluminium oxide. Using this approach, we show the formation of low-disorder gate-defined quantum dots, which are reproducibly fabricated. Furthermore, palladium enables us to further shrink the gate design, allowing us to perform electron transport measurements in the few-electron regime in devices comprising only two gate layers, a major technological advancement. It remains to be seen, whether the introduction of palladium gates can improve the excellent results on electron and nuclear spin qubits defined with an aluminium gate stack

Flight experience with a pivoting traversing boundary-layer probe

A pivoting traversing boundary layer probe was evaluated in flight on an F-104 airplane. The evaluation was performed at free stream Mach numbers from 0.8 to 2.0. The unit is described, and operating problems and their solutions are discussed. Conventional boundary layer profiles containing variations in flow angle within the viscous layer are shown for free stream Mach numbers of 0.8, 1.6, and 2.0. Although the unit was not optimized for size and weight, it successfully measured simultaneously flow angularity, probe height, and pitot pressure through the boundary layer