Mechanics and dynamics of twisted DNA

Aufgrund einer komplexen Wechselwirkung mit Proteinen ist das Genom in einer Zelle ständig mechanischer Spannung und Torsion ausgesetzt. Daher ist es wichtig die Mechanik und die Dynamik von verdrillter DNA unter Spannung zu verstehen. Diese Situation wurde experimentell mittels einer sog. magnetischen Pinzette nachgestellt, indem sowohl Kraft als auch Drehmoment auf ein einzelnes DNA Molekül ausgeübt und gleichzeitig die mechanische Antwort des Polymers aufgezeichnet wurde. Als erstes Beispiel wurde der Übergang von linearer zu sog. plectonemischer DNA untersucht, d.h. die Absorption eines Teils der induzierten Verdrillung in einer superhelikalen Struktur. Eine abrupte Längenänderung am Anfang dieses Übergangs wurde bereits im Vorfeld publiziert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese abrupte DNA Verkürzung insbesondere von der Länge der DNA und der Ionenkonzentration der Lösung abhängt. Dieses Verhalten kann mittels eines Modells verstanden werden, in dem die Energie pro Verwringung der ersten Schlinge innerhalb der Superhelix größer ist als die aller nachfolgenden. Des Weiteren wurden DNA-DNA Wechselwirkungen in der Umgebung monovalenter Ionen durch die Analyse des Superspiralisierungsverhaltens einzelner DNA Moleküle bei konstanter Kraft charakterisiert. Solche Wechselwirkungen sind für die Kompaktierung des Genoms und die Regulation der Transkription wichtig. Oft wird DNA als gleichmäßig geladener Zylinder modelliert und ihre elektrostatischen Wechselwirkungen im Rahmen der Poisson-Boltzmann-Gleichung mit einem Ladungsanpassungsfaktor berechnet. Trotz erheblicher Anstrengung ist eine präzise Bestimmung dieses Parameters bisher nicht gelungen. Ein theoretisches Modell dieses Prozesses zeigte nun eine erstaunlich kleine effektive DNA Ladung von ~40% der nominalen Ladungsdichte. Abgesehen von Gleichgewichtsprozessen wurde auch die Dynamik eines Faltungsvorgangs von DNA untersucht. Spontane Branch Migration einer homologen Holliday-Struktur wurde genutzt, um die intramolekulare Reibung der DNA zu erforschen. Mittels einer magnetischen Pinzette wurde eine torsionslimitierte Holliday-Struktur gestreckt während die Längenfluktuationen der Zweige mit schneller Videomikroskopie bei ~3 kHz aufgezeichnet wurden. Einzelne diffusive Schritte der Basenpaare sollten auf einer sub-Millisekunden Zeitskala auftreten und viel kleiner als die Gesamtfluktuationen der DNA sein. Eine Analyse der spektralen Leistungsdichte der Längenfluktuationen ermöglicht eine eindeutige Beschreibung der Dynamik der Branch Migration. Die Holliday-Struktur wurde außerdem als nanomechanischer Linearversteller eingesetzt, um einen einzelnen fluoreszierenden Quantenpunkt durch ein exponentiell abfallendes evaneszentes Feld zu bewegen. Durch die Aufzeichnung der Emission des Quantenpunkts sowohl in dem evaneszenten Feld als auch unter gleichmäßiger Beleuchtung kann die Intensitätsverteilung des Anregungsfelds ohne weitere Dekonvolution bestimmt werden. Diese neue Technik ist von besonderem wissenschaftlichen Interesse, weil die Beschreibung dreidimensionaler inhomogener Beleuchtungsfelder eine große Herausforderung in der modernen Mikroskopie darstellt. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden dem besseren Verständnis einer Vielzahl biologischer Prozesse, die in Verbindung mit DNA Superspiralisierung stehen, dienen und weitere technische Anwendungen des DNA-basierten Linearverstellers hervorbringen.The genome inside the cell is continuously subjected to tension and torsion primarily due to a complex interplay with a large variety of proteins. To gain insight into these processes it is crucial to understand the mechanics and dynamics of twisted DNA under tension. Here, this situation is mimicked experimentally by applying force and torque to a single DNA molecule with so called magnetic tweezers and measuring its mechanical response. As a first example a transition from a linear to a plectonemic DNA configuration is studied, i.e. the absorption of part of the applied twist in a superhelical structure. Recent experiments revealed the occurrence of an abrupt extension change at the onset of this transition. Here, it is found that this abrupt DNA shortening strongly depends on the length of the DNA molecule and the ionic strength of the solution. This behavior can be well understood in the framework of a model in which the energy per writhe for the initial plectonemic loop is larger than for subsequent turns of the superhelix. Furthermore DNA-DNA interactions in the presence of monovalent ions were comprehensively characterized by analyzing the supercoiling behavior of single DNA molecules held under constant tension. These interactions are important for genome compaction and transcription regulation. So far DNA is often modeled as a homogeneously charged cylinder and its electrostatic interactions are calculated within the framework of the Poisson-Boltzmann equation including a charge adaptation factor. Despite considerable efforts, until now a rigorous quantitative assessment of this parameter has been lacking. A theoretical model of this process revealed a surprisingly small effective DNA charge of ~40% of the nominal charge density. Besides describing equilibrium processes, also the dynamics during refolding of nucleic acids is investigated. Spontaneous branch migration of a homologous Holliday junction serves as an ideal system where the friction within the biomolecule can be studied. This is realized by stretching a torsionally constrained Holliday junction using magnetic tweezers and recording the length fluctuations of the arms with high-speed videomicroscopy at ~3 kHz. Single base pair diffusive steps are expected to occur on a sub-millisecond time scale and to be much smaller than the overall DNA length fluctuations. Power-spectral-density analysis of the length fluctuations is able to clearly resolve the overall dynamics of the branch migration process. Apart from studying intramolecular friction, the four-arm DNA junction was also used as a nanomechanical translation stage to move a single fluorescent quantum dot through an exponentially decaying evanescent field. Recording the emission of the quantum dot within the evanescent field as well as under homogeneous illumination allows to directly obtain the intensity distribution of the excitation field without additional deconvolution. This new technique is of particular scientific interest because the characterization of three-dimensional inhomogeneous illumination fields is a challenge in modern microscopy. The results presented in this work will help to better understand a large variety of biological processes related to DNA supercoiling and inspire further technical applications of the nanomechanical DNA gear

Neue Qualifizierungsansätze für die berufliche Bildung

Der gegenwärtige Bedarf an Fachkräften erfordert ein Umdenken bei der Gewinnung potenzieller Nachwuchskräfte. Bei der Fachkräfterekrutierung sind nicht nur junge Menschen mit guten bis sehr guten Ausgangsvoraussetzungen zu berücksichtigen, sondern ebenso Personen mit ungünstigen bzw. weniger guten Voraussetzungen. Niedrigschwellige Konzepte können hier Anschlussperspektiven eröffnen. Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des an der Professur Berufspädagogik/Didaktik der Arbeitslehre der Justus-Liebig-Universität Gießen angesiedelten Forschungsschwerpunktes "Personenbezogene/haushaltsnahe Dienstleistungen". Die im Kontext des Forschungsschwerpunktes gewonnenen Erkenntnisse finden insbesondere in den hier präsentierten theoretischen Befunden Berücksichtigung. Die empirischen und konzeptionellen Befunde beruhen auf dem Modellprojekt BertHa "Kompetenzentwicklung für haushaltsnahe Dienstleistungen. Berufliche Qualifizierung - Anerkannte Zertifizierung". Ziel der Arbeit ist es, Konzepte sowie Implementierungs- und Anwendungsmöglichkeiten für niedrigschwellige Qualifizierung in der beruflichen Bildung zu identifizieren. Das Berufsfeld Hauswirtschaft wird hierbei in besonderer Weise in den Blick genommen

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Flucht und Migration als Gestaltungsaufgabe für das Berufsfeld Ernährung und Hauswirtschaft. Analyse und Handlungsansätze

Im Jahr 2016 verzeichnete das Bundesamt für Migration und Flüchtlinge (BAMF) den höchsten Jahreswert an Asylanträgen seit seinem Bestehen. Eine Möglichkeit, Flüchtlinge in die Gesellschaft zu integrieren, ist es, ihnen Teilhabe am Ausbildungs- und Arbeitsmarkt zu ermöglichen. Dies ist auch aufgrund des Fachkräftemangels, zum Beispiel im Berufsfeld Ernährung und Hauswirtschaft, bedeutsam. Der vorliegende Beitrag zeigt ausgewählte Initiativen, Projekte, berufsvorbereitende Bildungsgänge und Materialien auf und stellt Ergebnisse einer Befragung von Lehrkräften vor. (DIPF/Orig.

De scaphirhyncho Rafinescii disquisitiones anatomicae : dissertatio inauguralis

http://tartu.ester.ee/record=b2500804~S1*es

Kompetenzorientierte Begleitung der Studierenden in der Studieneingangsphase

Die Öffnung des Hochschulzugangs geht mit einer heterogenen Studierendenklientel einher und verursacht Passungsprobleme zwischen studentischen Lebenslagen, Vorerfahrungen, Qualifikationen und tradierten Studienanforderungen. Das Projekt KoBeg greift diese Problematik auf. Mittels eines eigens für die Studieneingangsphase entwickelten binnendifferenzierten Lehr-/Lernkonzepts, das sich in seiner didaktisch-methodischen Ausgestaltung an eduScrum® anlehnt, soll der Erwerb studienerfolgsrelevanter Kompetenzen unterstützt werden. Im vorliegenden Beitrag wird das Konzept theoretisch fundiert skizziert, mit dem Ziel, einen hochschuldidaktischen Austausch anzuregen

Camera-based three-dimensional real-time particle tracking at kHz rates and Ångström accuracy.

Optical and magnetic tweezers are widely employed to probe the mechanics and activity of individual biomolecular complexes. They rely on micrometre-sized particles to detect molecular conformational changes from the particle position. Real-time particle tracking with Ångström accuracy has so far been only achieved using laser detection through photodiodes. Here we demonstrate that camera-based imaging can provide a similar performance for all three dimensions. Particle imaging at kHz rates is combined, with real-time data processing being accelerated by a graphics-processing unit. For particles that are fixed in the sample cell we can detect 3-Å-sized steps that are introduced by cell translations at rates of 10 Hz, while for DNA-tethered particles 5 Å steps at 1 Hz can be resolved. Moreover, 20 particles can be tracked in parallel with comparable accuracy. Our approach provides a simple and robust way for high-resolution tweezer experiments using multiple particles at a time

Efficient preparation of internally modified single-molecule constructs using nicking enzymes

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Mitschrift der Vorlesungen von [Eduard] Sonne und [Johannes] Maehrlen vom Wintersemester 1868/69 bis 1970

MITSCHRIFT DER VORLESUNGEN VON [EDUARD] SONNE UND [JOHANNES] MAEHRLEN VOM WINTERSEMESTER 1868/69 BIS 1970 Mitschriften und Skripte von Vorlesungen an der Technischen Hochschule und Universität Stuttgart (-) Mitschrift der Vorlesungen von [Eduard] Sonne und [Johannes] Maehrlen vom Wintersemester 1868/69 bis 1970 (Bd. 4, 1868-1870) (1) Einband (-) [Handels- und Wechselrecht] (1) Handelsrecht (1) Wechselrecht (91) Nationalökonomie von [Johannes] Maehrlen durch Wilhelm Gebhardt. Wintersemester 1869 (133) Nationaloekonomie (137) Wasser- und Eisenbahnbau von [Eduard] Sonne durch Wilhelm Gebhardt. Wintersemester 1868/1869 (237) Anlagen zur Ansammlung von Wasser (241) Eisenbahnen (294) Farbinformation (-) Einband (-