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Metaproteomics has matured into a powerful tool to assess functional interactions in microbial communities. While many metaproteomic workflows are available, the impact of method choice on results remains unclear. Here, we carry out a community-driven, multi-laboratory comparison in metaproteomics: the critical assessment of metaproteome investigation study (CAMPI). Based on well-established workflows, we evaluate the effect of sample preparation, mass spectrometry, and bioinformatic analysis using two samples: a simplified, laboratory-assembled human intestinal model and a human fecal sample. We observe that variability at the peptide level is predominantly due to sample processing workflows, with a smaller contribution of bioinformatic pipelines. These peptide-level differences largely disappear at the protein group level. While differences are observed for predicted community composition, similar functional profiles are obtained across workflows. CAMPI demonstrates the robustness of present-day metaproteomics research, serves as a template for multi-laboratory studies in metaproteomics, and provides publicly available data sets for benchmarking future developments.
Drug and gene delivery via nanoparticles across biological barriers such as the alveolar-capillary barrier of the lung constitutes an interesting and increasingly relevant field in nanomedicine. Nevertheless, potential hazardous effects of nanoparticles (NPs) as well as their cellular and systemic fate should be thoroughly examined. Hence, this study was designed to evaluate the effects of amorphous silica NPs (Sicastar) and (poly)organosiloxane NPs (AmOrSil) on the viability and the inflammatory response as well as on the cellular uptake mechanisms and fate in cells of the alveolar barrier. For this purpose, the alveolar epithelial cell line (NCI H441) and microvascular endothelial cell line (ISO-HAS-1) were used in an experimental set up resembling the alveolar-capillary barrier of the lung. In terms of IL-8 and sICAM Sicastar resulted in harmful effects at higher concentrations (60 µg/ml) in conventional monocultures but not in the coculture, whereas AmOrSil showed no significant effects. Immunofluorescence counterstaining of endosomal structures in NP-incubated cells showed no evidence for a clathrin- or caveolae-mediated uptake mechanism. However, NPs were enclosed in flotillin-1 and -2 marked vesicles in both cell types. Flotillins appear to play a role in cellular uptake or trafficking mechanisms of NPs and are discussed as indicators for clathrin- or caveolae-independent uptake mechanisms. In addition, we examined the transport of NPs across this in vitro model of the alveolar-capillary barrier forming a tight barrier with a transepithelial electrical resistance of 560 ± 8 Ω cm². H441 in coculture with endothelial cells took up much less NPs compared to monocultures. Moreover, coculturing prevented the transport of NP from the epithelial compartment to the endothelial layer on the bottom of the filter insert. This supports the relevance of coculture models, which favour a differentiated and polarised epithelial layer as in vitro test systems for nanoparticle uptake.
To gain a thorough appreciation of microbiome dynamics, researchers characterize the functional relevance of expressed microbial genes or proteins. This can be accomplished through metaproteomics, which characterizes the protein expression of microbiomes. Several software tools exist for analyzing microbiomes at the functional level by measuring their combined proteome-level response to environmental perturbations. In this survey, we explore the performance of six available tools, to enable researchers to make informed decisions regarding software choice based on their research goals. Tandem mass spectrometry-based proteomic data obtained from dental caries plaque samples grown with and without sucrose in paired biofilm reactors were used as representative data for this evaluation. Microbial peptides from one sample pair were identified by the X! tandem search algorithm via SearchGUI and subjected to functional analysis using software tools including eggNOG-mapper, MEGAN5, MetaGOmics, MetaProteomeAnalyzer (MPA), ProPHAnE, and Unipept to generate functional annotation through Gene Ontology (GO) terms. Among these software tools, notable differences in functional annotation were detected after comparing differentially expressed protein functional groups. Based on the generated GO terms of these tools we performed a peptide-level comparison to evaluate the quality of their functional annotations. A BLAST analysis against the NCBI non-redundant database revealed that the sensitivity and specificity of functional annotation varied between tools. For example, eggNOG-mapper mapped to the most number of GO terms, while Unipept generated more accurate GO terms. Based on our evaluation, metaproteomics researchers can choose the software according to their analytical needs and developers can use the resulting feedback to further optimize their algorithms. To make more of these tools accessible via scalable metaproteomics workflows, eggNOG-mapper and Unipept 4.0 were incorporated into the Galaxy platform.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Im Rahmen eines von der Kulturstiftung des Bundes und der Kulturstiftung der Länder geförderten
Projektes zum Erhalt naturkundlicher Nasssammlungen wurden 1) der Zustand der Sammlungen bewertet
(Profiling; Analyse der Vergällungsmittel), 2) über Workshops Expertenwissen in das Projekt gebracht,
3) neue archivbeständige Materialien und Managementmaßnahmen eingeführt (Borosilikat-Gläser und -
Röhrchen, Augenwatte, Tefloneinlagen, Japanpapier, archivbeständige Kleber und Papier, Etikettenaufbewahrung;
digitales Dichtemessgerät, Alcomon-Indikator, Kontrollintervalle), 4) Erhaltungsmaßnahmen
zur langfristigen Konservierung in großem Umfange durchgeführt (Messen der Alkoholkonzentration,
Umsetzen von Präparaten in geeignetere Gefäße, Wiederverschluss von Schaugläsern) und 5) Erfahrungen
und Diskussionsergebnisse zusammengestellt, nicht ohne auf Wissenslücken und wünschenswerte
Forschungsaspekte hinzuweisen. Das Projekt profitierte besonders von der Expertise aus den Materialwissenschaften
und der Papierrestaurierung. Das Museum für Naturkunde Berlin kooperierte eng mit
dem Berliner Medizinhistorischen Museum der Charité, der Zoologischen Staatssammlung München und
dem Forschungsinstitut Senckenberg in Frankfurt. Letzteres Museum führte ein eigenes, themenverwandtes
KUR-Projekt Restauration der Sammlungen 'Vergleichende Anatomie, Embryologie und Histologie'
des Naturmuseums Senckenberg durch.
Sulphurous additives for polystyrene: Influencing decomposition behavior in the condensed phase
(2015)
The thermal decomposition behaviour of polystyrene (PS) containing sulphur and phosphorus additives was investigated, using thermogravimetry coupled with Fourier transform infrared spectroscopy (TGA-FTIR). It was found that the additives influence the decomposition process of the polymer in the condensed phase, resulting in a decrease in styrene monomer formation and an increase in styrene oligmer derivatives. Via reference measurements with binary mixtures it was found that the presence of sulphur additives influences the radicalic decomposition process of PS. In combination with quantum chemical calculations it was concluded that this is due to the formation of radicals that abstract hydrogen from the polymer matrix at lower temperatures, disfavouring the radicalic decomposition pathway leading to styrene.
The improved Monte-Carlo (MC) method for standard-less analysis in laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) is presented. Concentrations in MC LIBS are found by fitting model-generated synthetic spectra to experimental spectra. The current version of MC LIBS is based on the graphic processing unit (GPU) computation and reduces the analysis time down to several seconds per spectrum/sample. The previous version of MC LIBS which was based on the central processing unit (CPU) computation requested unacceptably long analysis times of 10's minutes per spectrum/sample. The reduction of the computational time is achieved through the massively parallel computing on the GPU which embeds thousands of co-processors. It is shown that the number of iterations on the GPU exceeds that on the CPU by a factor > 1000 for the 5-dimentional parameter space and yet requires > 10-fold shorter computational time. The improved GPU-MC LIBS outperforms the CPU-MS LIBS in terms of accuracy, precision, and analysis time. The performance is tested on LIBS-spectra obtained from pelletized powders of metal oxides consisting of CaO, Fe2O3, MgO, and TiO2 that simulated by-products of steel industry, steel slags. It is demonstrated that GPU-based MC LIBS is capable of rapid multi-element analysis with relative error between 1 and 10's percent that is sufficient for industrial applications (e.g. steel slag analysis). The results of the improved GPU-based MC LIBS are positively compared to that of the CPU-based MC LIBS as well as to the results of the standard calibration-free (CF) LIBS based on the Boltzmann plot method.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a fast and versatile technique for (semi) quantitative element analysis of solids, liquids, gases, and particulate matter. The LIBS method is used for optical sensing in various branches of industrial production. In the contribution we review some of our recent results on LIBS analysis of slags from secondary metallurgy in industrial steel making. Major oxides in steel slags are measured at-line and after homogenization using a calibration-free (CF) method. Two approaches for CF analysis based on the Boltzmann plot method and on the calculation of synthetic spectra are compared for the analysis of quaternary oxides. We also present the research in cooperation with our industrial partners in the process-analytical chemistry network PAC.
Tomography of a laser-induced plasma in air is performed by inverse Radon transform of angle-resolved plasma images. Plasmas were induced by single laser pulses (SP), double pulses (DP) in collinear geometry, and by a combination of single laser pulses with pulsed arc discharges (SP-AD). Images of plasmas on metallurgical steel slags were taken at delay times suitable for calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy (CFLIBS). Delays ranged from few microseconds for SP and DP up to tens of microseconds for SP-AD excitation. The white-light and the spectrally resolved emissivity ε(x,y,z) was reconstructed for the three plasma excitation schemes. The electron number density Ne(x,y,z) and plasma temperature Te(x,y,z) were determined from Mg and Mn emission lines in reconstructed spectra employing the Saha-Boltzmann plot method. The SP plasma revealed strongly inhomogeneous emissivity and plasma temperature. Re-excitation of plasma by a second laser pulse (DP) and by an arc discharge (SP-AD) homogenized the plasma and reduced the spatial variation of ε and Te. The homogenization of a plasma is a promising approach to increase the accuracy of calibration-free LIBS analysis of complex materials.
Metaproteomics, the study of the collective protein composition of multi-organism systems, provides deep insights into the biodiversity of microbial communities and the complex functional interplay between microbes and their hosts or environment. Thus, metaproteomics has become an indispensable tool in various fields such as microbiology and related medical applications. The computational challenges in the analysis of corresponding datasets differ from those of pure-culture proteomics, e.g., due to the higher complexity of the samples and the larger reference databases demanding specific computing pipelines. Corresponding data analyses usually consist of numerous manual steps that must be closely synchronized. With MetaProteomeAnalyzer and Prophane, we have established two open-source software solutions specifically developed and optimized for metaproteomics. Among other features, peptide-spectrum matching is improved by combining different search engines and, compared to similar tools, metaproteome annotation benefits from the most comprehensive set of available databases (such as NCBI, UniProt, EggNOG, PFAM, and CAZy). The workflow described in this protocol combines both tools and leads the user through the entire data analysis process, including protein database creation, database search, protein grouping and annotation, and results visualization. To the best of our knowledge, this protocol presents the most comprehensive, detailed and flexible guide to metaproteomics data analysis to date. While beginners are provided with robust, easy-to-use, state-of-the-art data analysis in a reasonable time (a few hours, depending on, among other factors, the protein database size and the number of identified peptides and inferred proteins), advanced users benefit from the flexibility and adaptability of the workflow.