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Gefördert durch den Publikationsfonds der Universität Kassel

Within the last 10 years, the annual numbers of human infections with enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) in Germany increased by a factor of 2.4. The peak was reached during the large German outbreak in 2011. Intriguingly, the source of the outbreak was supposedly traced back to organic fenugreek sprouts. Moreover, the number of EHEC outbreaks traced back to plant-based foods, e.g. fresh produce, increased also in the United States. This trend poses a serious threat to public health as fresh produce is mostly consumed raw. Also, these observations gave rise to investigate the interactions of plants and human pathogens in more detail especially as fresh produce may be contaminated directly on the field. In the present thesis, the capability of different EHEC strains and an enteroaggregative/enterohemorrhagic E. coli (EAEC/EHEC) strain, to adhere to and to internalize into the roots of different lettuce plants was investigated. These studies conducted within the scope of this dissertation focused on different aspects of the mentioned processes, such as different bacterial strains, the bacterial genetic equipment, and different environmental conditions, such as plant variety, soil type used for plant growth, and the soil microbiota. To mimic the natural conditions as close as possible, plants were grown from unsterile plant seed in unsterile soil under greenhouse conditions. In the first publication, the overall ability of EHEC O157:H7 strain Sakai to adhere to and internalize into the roots of Valerianella locusta, also known as lamb’s lettuce, grown in diluvial sand soil was described. It was demonstrated that EHEC O157:H7 strain Sakai is indeed able to attach to and internalized into the lettuce roots under the conditions tested. Moreover, this paper shed light on potentially important intrinsic bacterial factors, i.e. genes/proteins, which are putatively involved in adherence and/or internalization. Therefore, deletion mutants lacking hcpA and/or iha, were also investigated regarding adherence to and internalization into the lamb’s lettuce roots. Both genes, coding for the major subunit of the hemorrhagic coli pilus HcpA and the adhesin Iha, respectively, are supposed to be associated with adherence and therefore called “adherence factors”. However, deletion mutants lacking one or both of these genes did not show significant differences in root attachment compared to the wild-type strain. Regarding internalization, deletion of either of these genes resulted in significantly lower numbers of internalized bacteria clearly indicating that both of these genes – or the proteins encoded by these genes – play an important role during invasion of EHEC O157:H7 strain Sakai into the roots of lamb’s lettuce. Interestingly, deletion of both genes did not result in further reduction of internalization compared to single deletion mutants. Hence, hcpA and iha encode rather internalization factors than adherence factors. Moreover, internalization does not solely depend on these two factors. The second paper focused on the influence of lettuce varieties and soil type on adherence and internalization of E. coli O104:H4 strain C227/11φcu. In this study, the lettuce varieties Valerianella locusta and Lactuca sativa, also known as lamb’s lettuce and lettuce, respectively, were both grown in two different soil types, diluvial sand (DS) and alluvial loam (AL), to address the impact of plant host and environment on bacterial attachment and invasion into lettuce roots. To approach the latter aspect in more detail, the composition of the soil microbial community was analyzed in parallel by partial 16S rRNA gene sequencing. Adherence to the roots was positively influenced by the soil type as the number of adherent E. coli O104:H4 strain C227/11φcu bacteria significantly rose by a factor of three to four when the plants were grown in DS compared to AL. However, when grown in the same type of soil, no statistically significant differences in attachment were detected between the distinct lettuce varieties. On the other hand, internalization significantly differed predominantly between the two types of lettuce. Internalization into the roots of L. sativa compared V. locusta was found to be increased by a factor of 12 upon growth in DS, and by a factor of 108 when the plants were grown in AL. Moreover, internalization into the roots of L. sativa was five-times higher in AL than in DS. Consequently, the lettuce variety significantly influences to ability of E. coli O104:H4 strain C227/11φcu to internalize into the lettuce roots, while the soil type affected bacterial invasion only at the roots of L. sativa under the conditions tested. Moreover, by microbiota analysis, the inoculated strain was found within the soil microbiota, and this analysis demonstrated that soil type, lettuce variety, and the combination of both result in large differences in the composition of the soil microbiota. In den letzten 10 Jahren hat sich die jährliche Fallzahl der Infektionen mit enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHEC) in Deutschland mehr als verdoppelt. Den Höhepunkt der EHEC-Erkrankungen in Deutschland stellte der große Ausbruch von 2011 dar. Interessanterweise waren wahrscheinlich Bio-Bockshornkleesprossen die Infektionsquelle. Zusätzlich steigt auch in den Vereinigten Staaten die Anzahl der EHEC-Ausbrüche, die auf pflanzliche Lebensmittel, wie etwa Salat, zurückzuführen sind. Diese Entwicklung ist eine ernstzunehmende Gefahr für die öffentliche Gesundheit, da Frischwaren wie Salat meist roh verzehrt werden. Diese Beobachtungen gaben außerdem Anlass die Interaktion von Pflanzen und Humanpathogenen genauer zu untersuchen, vor allem da Frischwaren direkt auf dem Feld kontaminiert werden können. In dieser Arbeit wurden verschiedene EHEC-Stämme und ein enteroaggregativer/enterohämorrhagischer E.coli (EAEC/EHEC) Stamm, untersucht, hinsichtlich ihrer Fähigkeit an die Wurzeln unterschiedlicher Salatsorten zu adhärieren und in diese zu internalisieren. Die Studien, die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt wurden, fokussierten sich dabei auf unterschiedliche Aspekte dieser Prozesse, wie etwa unterschiedliche Bakterienstämme, genetische Ausstattung der Bakterien, und verschiedene Umweltbedingungen, wie Salatsorte, für die Anzucht verwendeter Bodentyp und die Bodenmikrobiota. Um die natürlichen Bedingungen möglichst genau nachzuahmen, wurden die Pflanzen aus nicht sterilem Saatgut in nicht sterilem Boden in einem Gewächshaus angepflanzt. Die erste Publikation befasste sich mit der prinzipiellen Fähigkeit EHEC O157:H7 Stamm Sakai an die Wurzeln von Valerianella locusta, Feldsalat, zu adhärieren und in diese zu internalisieren, wobei der Salat in Diluvialsand gewachsen ist. Es wurde gezeigt, dass EHEC O157:H7 Stamm Sakai unter den getesteten Bedingungen adhärieren und internalisieren kann. Außerdem wurde die Rolle von potentiell wichtigen intrinsischen Bakterienfaktoren untersucht, d.h. Gene bzw. Proteine, die potenziell in Adhärenz und/oder Internalisierung involviert sind. Dazu wurden hcpA- und/oder iha-negative Deletionsmutanten generiert. Diese wurden ebenso bezüglich Adhärenz und Internalisierung an bzw. in die Wurzeln von Feldsalat untersucht. Die beiden Gene kodieren die Hauptuntereinheit des hämorrhagischen Coli Pilus bzw. das Adhesin Iha und werden „Adhärenzfaktoren“ genannt, da sie im Zusammenhang mit Adhärenz stehen sollen. Jedoch zeigten weder die beiden Einzel- noch die Doppelmutante signifikante Veränderungen im Adhärenzverhalten im Vergleich zum Wildtyp. Bezüglich der Internalisierung führte die Deletion eines der beiden Gene zu einer signifikant geringeren Zahl von internalisierten Bakterien, was darauf schließen lässt, dass diese Gene – oder die codierten Proteine – eine wichtige Rolle spielen bei dem Eindringen von EHEC O157:H7 Stamm Sakai in die Wurzeln von Feldsalat. Jedoch zeigte die Doppelmutante keine weitere Reduktion der Internalisierung verglichen mit den Einzelmutanten. Ergo kodieren hcpA und iha eher Internalisierungfaktoren als Adhärenzfaktoren. Außerdem hängt Internalisierung nicht ausschließlich von diesen beiden Faktoren ab. Die zweite Publikation fokussierte sich auf den Einfluss von Salatsorte und Bodentyp auf Adhärenz und Internalisierung von E. coli O104:H4 Stamm C227/11φcu. In dieser Studie wurden die beiden Salatsorten Valerianella locusta, Feldsalat, und Lactuca sativa, Kopfsalat, in verschiedenen Bodentypen, Diluvialsand (DS) und Alluviallehm (AL) angepflanzt, um Auswirkungen von Pflanzenwirt und Umwelt auf Anheftung und Eindringen der Bakterien zu untersuchen. Um den Umweltaspekt genauer zu beleuchten, wurde parallel die Komposition der Bodenmikrobiota mittels partieller 16S rRNA Gensequenzierung untersucht. Die Adhärenz an die Wurzeln wurde positiv vom Bodentyp beeinflusst. Die Zahl der adhärenten E. coli O104:H4 Stamm C227/11φcu stieg um den Faktor drei bis vier bei Pflanzenwachstum in DS im Vergleich zu AL. Bei gleichem Bodentyp zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Salatsorten. Die Internalisierung jedoch unterschied sich vor allem zwischen den Salatsorten. Bei Pflanzenwachstum in DS wurde in den Kopfsalatwurzeln das 12-fache an internalisierten Bakterien gefunden im Vergleich zu Feldsalatwurzeln. Bei Wachstum in AL war es gar das 108-fache. Zudem war die Internalisierung in die Wurzeln von L. sativa in AL fünfmal höher als in DS. Die Salatsorte hat somit einen signifikanten Einfluss auf die Internalisierungsfähigkeit von E. coli O104:H4 Stamm C227/11φcu. Der Bodentyp beeinflusste unter den getesteten Bedingungen aber nur das Eindringen in Kopfsalatwurzeln. Außerdem konnte der inokulierte Bakterienstamm mittels Mikrobiotaanalyse innerhalb der Bodenmikrobiota detektiert werden. Diese Analyse zeigte, dass sowohl Bodentyp als auch Salatsorte sowie die Kombination von beiden zu großen Unterschieden in der Komposition der Bodenmikrobiota führen.

Mit dem Ziel einen finanziellen Anreiz bzw. eine Notwendigkeit für Luftfahrzeugbetreiber zur Reduktion ihrer Klimawirkung zu schaffen, wird in dieser Arbeit ein problemdeduzierter Systemgestaltungsprozess angewandt und Wissen unterschiedlicher Fachdisziplinen (Luftfahrt, Atmosphärenphysik, Umweltökonomie) miteinander verknüpft. So gilt es im zu entwickelnden System, u. a. NichtCO2-Klimaeffekte, wie z. B. die Ozon- und Kondensstreifenzirrenbildung, zu berücksichtigen, die ca. 2/3 der Klimawirkung der Luftfahrt induzieren und hochgradig nicht linear zum Kraftstoffverbrauch sind. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden in einer iterativen Vorgehensweise (Teil-)Lösungsansätze generiert, adaptiert und rekombiniert. Auf diese Weise werden die Konzepte der Klimasperrgebiete (regulativer Ansatz) bzw. der Klimamautgebiete (preisbasierter Ansatz) entwickelt. Bei der vorhersagbaren und nachprüfbaren Ausgestaltung dieser Konzepte steht neben Effektivitäts- und Effizienzkritierien vor allem eine kurzfristige Operationalisierbarkeit im Mittelpunkt des Entwurfsprozesses. Um beide Konzepte miteinander zu vergleichen, sie hinsichtlich der Zielerreichung multikriteriell zu überprüfen und Empfehlungen für eine weitere Vorgehensweise auszusprechen, werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit eine Modellumgebung aufgebaut und Funktionalitäts- bzw. Potenzialanalysen durchgeführt. Mit der Umsetzung des Vorsorge- und Verursacherprinzips der Umweltökonomie führen beide Konzepte zentrale Rahmenbedingungen einer nachhaltigen Entwicklung in die Luftfahrt ein. So werden in den ausgearbeiteten Konzepten die durch den Luftverkehr für die Gesellschaft induzierten sozioökonomischen Folgekosten direkt (preisbasiert) bzw. indirekt (regulativ) in der Bilanz der Luftfahrzeugbetreiber und somit in ihren Entscheidungsprozess integriert. Diese Bilanzerweiterung senkt die bestehende Diskrepanz zwischen den von den Luftfahrzeugbetreibern veranschlagten, privaten Grenzkosten und die für die Gesellschaft entstehenden Folgekosten deutlich und erzeugt einen finanziellen Anreiz, ihr Flugverhalten zu verändern. Umfliegen im Konzept der Klimamautgebiete Luftverkehrsgesellschaften (teilweise) besonders klimasensitive und somit gebührenpflichtige Regionen, können große Teile der durch die (Teil-)Internalisierung entstehenden Mehrkosten vermieden werden. Der beim klimafreundlichen Fliegen bestehende Zielkonflikt zwischen Ökologie und Ökonomie wird aufgelöst: Ein klimafreundliches Verhalten wird wirtschaftlich attraktiv. Die Demonstration der Funktionalität und Effektivität dieser Konzepte erfolgt mit Trajektoriensimulationen im Nordatlantikflugkorridor. Werden in dieser Region Klimamaut- bzw. Klimasperrgebieten eingeführt und vollständig umflogen, können durchschnittlich mehr als 90% des maximal durch klimaoptimales Fliegen möglichen Mitigationspotenzials erzielt werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz, bei der Flugroutenführung ausschließlich die am klimasensitivsten Regionen zu vermeiden, ist dementsprechend wirkungsvoll. Infolge des bestehenden, hohen Einflusses auf die Luftraumkapazität (Flugverbot) muss vom restriktiven Konzept der Klimasperrgebiete abgeraten werden. Die Praktikabilität des kostengetriebenen Ansatzes zeigt hingegen das Verhalten zahlreicher Luftfahrzeugbetreiber auf transeuropäischen Flügen. Um ihre Gesamtbetriebskosten zu reduzieren, nehmen diese mit sinkenden Treibstoffkosten längere Umwege in Kauf und leiten ihre Flüge möglichst lange über jene Länder mit geringeren Flugführungsgebühren.

Receptor cell-surface levels can be regulated by internalization, proteolytic cleavage of the membrane-bound receptor or synthesis of new receptors. Following internalization, the receptors are either recycled to the cell-surface or degraded in the lysosome. I could show that the IL-6R and gp130 are internalized in a clathrin- and dynamin-dependent manner which was not influenced by IL-6. Furthermore, the ICD of the IL-6R is dispensable for IL-6R internalization, however, I could show that gp130 influences IL-6R internalization to some extent. Following internalization, both receptors are recycled back to the cell surface via Rab11-positive recycling endosomes but are also degraded in the lysosome. Stimulation with IL-6 led to an increase in recycling of both receptors, but only degradation of gp130 in the lysosome was enhanced. Additionally, it was revealed that STAT3 signaling was only activated upon internalization of the IL-6/IL-6R/gp130 signaling complex, indicating that signaling is initiated at endosomes. Only little is known about endogenous stimuli leading to the release of sIL-6R in vivo. I could show that, in humans, activation of TLR2 resulted in an increase in sIL-6R release mainly from monocytes which was generated by proteolytic cleavage of the membrane-bound IL-6R mediated by ADAM10 and 17. Furthermore, TLR2 activation led to the activation of the ERK signaling pathway which was found to differentially regulate the release of IL-6 and sIL-6R. The sIL-6R is also released constitutively but the responsible protease has not been clearly identified so far. Using a screening procedure, cathepsin S was identified as a new protease that can proteolytically cleave the IL-6R. However, cathepsin S uses a different cleavage site in the IL-6R in vitro as has been determined for the sIL-6R in vivo, indicating that it is rather not involved in the generation of the constitutively released sIL-6R. Die Oberflächenexpression von Rezeptoren wird durch Internalisierung, proteolytische Spaltung sowie die Generierung neuer Rezeptoren reguliert. Nach der Internalisierung von Rezeptoren können diese entweder recycled oder im Lysosom abgebaut werden. Ich konnte zeigen, dass IL-6R und gp130 über einen Clathrin- und Dynamin-abhängigen Mechanismus internalisiert werden, wobei IL-6 die Internalisierung nicht beeinflusst. Der intrazelluläre Teil des IL-6R wird für die IL-6R-Internalisierung nicht benötigt, jedoch konnte ich zeigen, dass gp130 die Internalisierung des IL-6R zum Teil beeinflusst. Anschließend an die Internalisierung werden der IL-6R und gp130 sowohl über Rab11-positive Recycling Endosomen an die Zelloberfläche zurück transportiert, als auch im Lysosom abgebaut. Stimulation mit IL-6 führte zu einem erhöhten Recycling beider Rezeptoren, jedoch wurde nur gp130 vermehrt im Lysosom abgebaut. Des Weiteren zeigte sich, dass die STAT3-Signaltransduktion erst nach Internalisierung des IL-6/IL-6R/gp130-Komplexes aktiviert wird, was darauf schließen lässt, dass diese an Endosomen stattfindet. Bislang ist wenig über endogene Aktivatoren der sIL-6R Generierung in vivo bekannt. Ich konnte zeigen, dass im Menschen die Aktivierung von TLR2 zur Generierung des sIL-6R durch proteolytische Spaltung des membrangebundenen IL-6R durch ADAM10 und ADAM17 von Monozyten führt. TLR2-Aktivierung resultierte außerdem in der Aktivierung des ERK-Signalweges, welcher die Freisetzung von sIL-6R und IL-6 gegensätzlich reguliert. Der sIL-6R wird auch konstitutiv gebildet, jedoch ist die hierfür verantwortliche Protease noch nicht eindeutig nachgewiesen. Durch ein Screeningverfahren wurde Cathepsin S als eine neue Protease identifiziert, die den IL-6R proteolytisch spalten kann. Jedoch zeigte sich, dass Cathepsin S in vitro eine andere Schnittstelle im IL-6R verwendet als in vivo nachgewiesen wurde und daher vermutlich keine Rolle in der Generierung des konstitutiv gebildeten sIL-6R spielt.

Background: Collaboration as a key qualification in medical education and everyday routine in clinical care can substantially contribute to improving patient safety. Internal collaboration scripts are conceptualized as organized - yet adaptive – knowledge that can be used in specific situations in professional everyday life. This study examines the level of internalization of collaboration scripts in medicine. Internalization is understood as fast retrieval of script information. Goal: The goals of the current study were the assessment of collaborative information, which is part of collaboration scripts, and the development of a methodology for measuring the level of internalization of collaboration scripts in medicine. Method: For the contrastive comparison of internal collaboration scripts, 20 collaborative novices (medical students in their final year) and 20 collaborative experts (physicians with specialist degrees in internal medicine or anesthesiology) were included in the study. Eight typical medical collaborative situations as shown on a photo or video were presented to the participants for five seconds each. Afterwards, the participants were asked to describe what they saw on the photo or video. Based on the answers, the amount of information belonging to a collaboration script (script-information) was determined and the time each participant needed for answering was measured. In order to measure the level of internalization, script-information per recall time was calculated. Results: As expected, collaborative experts stated significantly more script-information than collaborative novices. As well, collaborative experts showed a significantly higher level of internalization. Conclusions: Based on the findings of this research, we conclude that our instrument can discriminate between collaboration novices and experts. It therefore can be used to analyze measures to foster subject-specific competency in medical education., Hintergrund: Kooperation als eine Schlüsselqualifikation in der medizinischen Ausbildung und im medizinischen Alltag kann einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Patientensicherheit leisten. Unter internationalen Kooperationsskripts wird Wissen verstanden, welches zugleich in organisierter und adaptiver Form vorliegt. Sie können situationsspezifisch im Berufsalltag abgerufen und eingesetzt werden. Die vorliegende Studie untersucht die Internalisierung von Kooperationsskripts in der Medizin. Internalisierung wird als schnelle Abrufbarkeit von Skriptinformationen verstanden. Ziel: Das Ziel der Untersuchung war die Erfassung von Informationen, die Bestandteil von Kooperationsskripts sind, sowie die Entwicklung einer Methode zur Messung des Internalisierungsgrades von Kooperationsskripts in der Medizin. Methode: Für den kontrastiven Vergleich der internationalen Kooperationsskripts wurden insgesamt 20 Kooperationsnovizen (Studierende im Praktischen Jahr (PJ)) und 20 Kooperationsexperten (Fachärzte der Inneren Medizin oder Anästhesiologie) in die Studie einbezogen. Den Probanden wurden jeweils für fünf Sekunden acht kooperationstypische Situationen in Form eines Fotos oder eines Videos präsentiert. Anschließend wurde zu jeder Situation gefragt, was auf dem Bild zu sehen war. Aus den Antworten wurde die Anzahl von Informationen, die zu einem Kooperationsskript (Skriptinformationen) gehören, nach einem etablierten, theoriebasierten Kodierschema erfasst sowie die Zeit, die ein Proband zum Antworten benötigte, gemessen. Als Maß für den Internalisierungsgrad wurden die Skriptinformationen pro Zeiteinheit berechnet. Ergebnisse: Verglichen mit Kooperationsnovizen nannten Kooperationsexperten signifikant mehr Skriptinformationen. Kooperationsexperten zeigten zudem einen signifikant höheren Internalisierungsgrad. Schlussfolgerung: Die gewonnenen Erkenntnisse belegen, dass das entwickelte Messinstrument zwischen Novizen und Experten im Bereich Kooperation diskriminieren kann. Es kann somit eingesetzt werden, um Maßnahmen zur fachspezifischen Vermittlung von Kooperation in der medizinischen Lehre zu untersuchen und zu bewerten., GMS Zeitschrift für Medizinische Ausbildung; 32(3):Doc32

In dieser Dissertation betrachten wir die Wechselwirkungen von Vesikelmembranen mit Nanoteilchen unterschiedlicher Form. Die Umwickelung und Internalisierung von Nanoteilchen durch Biomembranen spielt eine zentrale Rolle in Medikamentenforschung und Nanomedizin. Wir beginnen mit einem einzelnen kugelförmigen Teilchen, das an einem Vesikel adsorbiert ist, und lösen die Formgleichungen für rotationssymmetrische Vesikelformen um die Umwickelung des Teilchens zu untersuchen. Diese Formgleichungen basieren auf der Helfrichschen Biegeenergie der Vesikelmembranen. Wir erhalten verschiedene Regime für die teilweise und die volle Umwickelung der Teilchen, und setzen die Energiebarriere für den Umwickelungsübergang mit dem reduzierten Volumen des Vesikels und der relativen Größe von Vesikel und Teilchen in Beziehung. Als nächstes untersuchen wir die kooperative Umwickelung mehrerer kugelförmiger Nanoteilchen mit Hilfe von ‘simulated annealing’ Monte-Carlo-Simulationen von triangulierten Vesikeln. Wir finden neuartige tubuläre Membranstrukturen, die durch die Nanoteilchen induziert werden und die Gesamtenergie minimieren. Diese tubulären Strukturen weisen einen neuen Weg, Nanoteilchen reversibel in Vesikeln einzuschließen. Mit dieser Simulationsmethode untersuchen wir auch den Einfluss der Membrankrümmung auf die membranvermittelten Wechselwirkungen zwischen den adsorbierten Nanoteilchen. Wir betrachten zwei verschiedenen Arten von Janus-Teilchen, die nur teilweise von der Membran umwickelt werden. Wir erhalten attraktive Wechselwirkungen zwischen zwei Teilchen, die außen an ein Vesikel adsorbiert sind, jedoch repulsive Wechselwirkungen zwischen Teilchen, die von Innen an die Vesikelmembran adsorbieren. Schließlich betrachten wir die Umwickelung einzelner ellipsoidaler Nanoteilchen in ‘simulated annealing’ Monte-Carlo-Simulationen. Wir erhalten zwei unterschiedliche Regime von Spreiten und Internalisierung, die durch eine Energiebarriere getrennt sind, and setzen die Höhe dieser Barriere mit der Teilchenform und –orientierung in Beziehung. Wir beobachten einfacheres Spreiten aber erschwerte Internalisierung mit zunehmender Ellipsität der Teilchen. Die Umwickelung der ellipsoidalen Teilchen ist mit einer Orientierungsänderung der Teilchen verbunden. Das Spreiten der Teilchen durch die Vesikelmembran beginnt an den flachen Seiten. Bei forschreitender Umwickelung ändert sich jedoch die Ausrichtung der Teilchen, und die Internalisierung geschieht schließlich in einer Orientierung, in der eine Spitze der ellipsoidalen Teilchen in das Vesikel hineinragt., In this dissertation, we study the interactions of vesicle membranes with nanoparticles of different shapes. The wrapping and internalization of nanoparticles by biomembranes plays a critical role in drug delivery applications and nanomedicine. We begin with a single spherical particle adsorbed on a vesicle and solve the shape equations for rotationally symmetric vesicles to investigate the wrapping of the particle by the vesicle. These shape equations are based on the Helfrich bending energy of the vesicle membrane. We predict different regimes for partial and full wrapping of the nanoparticle and relate the wrapping transition and its energy barrier to the reduced volume of the vesicle and the relative size of the vesicle and particle. We next study the cooperative wrapping of several spherical nanoparticles using simulated annealing Monte Carlo simulations of triangulated vesicles. We report novel tubular membrane structures induced by the nanoparticles, which we obtain from energy minimization. The membrane tubules enclose linear aggregates of particles and protrude into the vesicles. The high stability of the particle-filled tubules implies strongly attractive, membrane-mediated interactions between the particles. The tubular structures may provide a new route to encapsulate nanoparticles reversibly in vesicles. With this simulation method, we also investigate the role of the membrane curvature on the membrane-mediated interactions between adsorbed nanoparticles. We consider two different types of Janus nanoparticles, which both can only be partially wrapped by the vesicle. We report attractive interactions between two particles adsorbed to the outside of the vesicle, but repulsive interactions between particles that are adsorbed to the inside of the vesicle. Finally, we study the wrapping of single ellipsoidal nanoparticles by a vesicle via simulated annealing Monte Carlo simulations. We report two distinct regimes of spreading and internalization, which are separated by an energy barrier, and relate the success or failure of the internalization to the particle shape and orientation relative to the vesicle. We observe easier spreading yet more difficult internalization for ellipsoidal particles with lower aspect ratios, which may explain the high virulence of tubular viruses. We find that the wrapping of ellipsoidal particles is associated with an orientation change of the particle. While the spreading starts on the flat side of the ellipsoidal particles, the particle changes its orientation during wrapping, and internalization finally occurs in an orientation in which a tip of the ellipsoidal particles protrudes into the vesicles.

Energijos sektoriaus poveikis aplinkai ir rinkos netobulumams, atsirandantis iš neįvertinto neigiamo gamybos sąnaudų poveikio, paskatino ieškoti naujų sprendimų, leidžiančių užtikrinti energijos tvarumą. Tyrimo tikslas - remiantis teoriniais energetikos pramonės išoriniais veiksniais atlikti jų internalizacijos analizę ir sukurti išorės sąnaudų internalizavimo metodiką. Tyrimo metodais buvo pasirinkta sisteminė mokslinės literatūros analizė, bendroji ir loginė analizė, vertinimas, apibendrinimas, palyginimas ir abstrakcija. Išnagrinėjus išorės veiksnių integraciją, buvo išskirti trys metodai: laisvosios rinkos metodas, vyriausybės įsikišimo poreikis ir nuosavybės teisės. Analizė parodė, kad daugiausia išorinių kaštų internalizavimo naudos suteikia vyriausybės intervencinės priemonės, tokios kaip ekonominės, komandinės kontrolės ir savanoriško susitarimo. Remiantis teorine analize buvo sukurtas išorinių sąnaudų internalizavimo modelis ir pademosntruotas būdas, kaip išorines sąnaudas galima internalizuoti į gamybos sąnaudas. Sukurta modelio pritaikymo metodika leidžia kurti išorės sąnaudų internalizavimo strategijas. Taikant "EcoSense" matematinį modelį, kuriame susiejama geriausi "iš apačios į viršų" ir gyvavimo ciklo įvertinimo metodai, buvo įvertintos išorės sąnaudos Lietuvos energetikos įmonėse. Išorinės energijos sąnaudos Lietuvoje 1999 m. sudarė 3,4-13,2 mln. dolerių. Didžioji dalis šių sąnaudų buvo sukaupta Lietuvos šiluminėse elektrinėse. The impact of the energy sector on the environment and the market imperfections resulting from an unvalued negative influence of the production costs has led to the search for new solutions which allow ensuring energy sustainability. The purpose of the study is to analyse internalization of the factors based on the theoretical external factors of the energy industry and to develop a methodology for the internalization of external costs. The systematic analysis of scientific literature, general and logical analysis, evaluation, generalization, comparison and abstraction were selected as the methods of the study. After examining the integration of external factors, three methods have been identified: the free market approach, the need for government intervention and ownership rights. The analysis has shown that the benefits of internalization of external costs are mainly provided by government intervention measures such as economic, team control and voluntary agreements. Based on the theoretical analysis, a model for internalizing the external costs has been developed and a method for internalizing external costs into production costs has been demonstrated. The created model application methodology makes it possible to develop strategies for the internalization of external costs. Using the EcoSense mathematical model that combines the best bottom-up and life-cycle assessment methods, external costs in Lithuanian energy companies were assessed. In 1999 the external energy costs in Lithuania were 3.4-13.2 million dollars. A major part of these costs were accumulated in Lithuanian thermal power plants.

Patricia Pirkelbauer, Klagenfurt, Alpen-Adria-Univ., Dipl.-Arb., 2009