The authors are grateful to Dr. Thomas Rademacher and Ibrahim Al Amedi for cultivating the plants used in this study. We would like to thank Dr. Richard M. Twyman for his assistance with editing the manuscript. This work was in part funded by the European Research Council Advanced Grant "Future-Pharma", proposal number 269110, the Fraunhofer Zukunftsstiftung (Future Foundation), the Fraunhofer-Gesellschaft Internal Programs under Grant No. Attract 125-600164.

1. Pflanzenbau und Probenvorbereitung <ol><li> Schreibt jede Mineralwolle-Block mit 1-2 l entsalztem Wasser und anschließend mit 1 l von 0,1% [m / v] Düngemittellösung. Legen Sie ein Tabak (Nicotiana tabacum oder N. benthamiana) Samen in jedem Block und sanft bündig mit 0,25 l Düngerlösung ohne den Samen Waschen entfernt. </li><li> Pflegen Sie die Pflanzen für 7 Wochen in einem Gewächshaus oder Phytotron mit 70% relativer Luftfeuchtigkeit, eine 16-h - Photoperiode (180 &amp; mgr; mol s - 1 m - 2; λ = 400-700 nm) und einem 25/22 ° C Hell / Dunkel - Temperatur Regime. </li><li> Verschieben Sie die Pflanzen an der Messvorrichtung. Wenn die Pflanzen sind unbeweglich, Ernte Einzelblätter für die Messung der thermischen Eigenschaften. </li></ol> 2. Bestimmen Sie Blatt Dicke und Dichte <ol><li> Bestimmen Sie die Blattdicke <ol><li> Vorbereiten eines 2% [m / v] Agarose-Lösung in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) undAutoklaven es. Lassen Sie die Lösung abkühlen auf 40 ° C und betten eine Blattprobe in einer Petrischale gelegt. Verfestigen der Agarose von der Petrischale platziert für 30 min in einem Kühlschrank bei 4 ° C. </li><li> Schneiden Sie die Agarose-Block in 200 &amp; mgr; m Scheiben ein Vibratom mit einer Rasierklinge Schnittwinkel von 15 ° verwendet wird. Verwenden einer Schneidgeschwindigkeit von 1,0 mm s -1 und einer Amplitude von 0,5 mm. </li><li> Mount fünf transversal Blattstücke auf einem Glasobjektträger unter Verwendung von Cyanacrylat als Fixateur. Bestimmen Sie die Blattdicke unter einem Mikroskop mit einem 20 × Objektiv und einem Okular mit 10-facher Vergrößerung, mit Hilfe der Messwerkzeuge in die Mikroskop-Software gebaut nach den Anweisungen des Herstellers. </li><li> Bestimmen Sie die Blattdicken in Probenbereiche ohne Adern. </li><li> Alternativ bestimmen die Blattdicke mit einem Zifferblatt-Gauge in eine Vene freien Bereich der Blattspreite. Sicherstellen, dass das Zifferblatt-gauge senkrecht zur Ebene der Blattspreite gehalten. CAUTION: Cyanacrylat ist hautreizend und kann auch die Finger zusammenkleben, wenn nicht mit Sorgfalt behandelt. </li></ol></li><li> Bestimmen Sie die Blattdichte <ol><li> Bestimmen Sie die Leermasse (m 0) eines trockenen Pyknometers, dann mit Wasser füllen und zu bestimmen , um die Masse wieder (m 1). Trocknen Sie die Pyknometer vollständig, legen Sie ein Blatt innerhalb und bestimmen die Masse (m 2) noch einmal. Mit dem Blatt nach innen, füllen Das Pyknometer wird mit Wasser und Bestimmung der Masse (m 3). </li><li> Berechnen Sie die Blattdichte (Ps) unter Verwendung der Gleichung 1. Gleichung 1: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq1.jpg" /></li></ol></li></ol> 3. Bestimmen Sie die spektrale Transmission und Reflexion der Blätter <ol><li> Legen Sie ein Blatt in der Probenkammer eines UV / VIS-Spektrophotometer, indem sie zwischen Probe-Halteklammern fixieren. Für die Übertragung Messungen die Blatt vor dem det<html> ector. Für Reflexionsmessungen legen Sie das Blatt an der Rückseite der Detektionskammer. </li><li> Starten Sie das Spektralphotometer Steuerungssoftware. Wählen Sie ein Spektrum von 900 nm bis 1600 nm. Starten Sie einen neuen Scan und notieren Sie die Werte für die Übertragung (μ T) und Reflexion (μ R) angezeigt durch UV / VIS - Spektrophotometer - Software, basierend auf der spektralen Kurve. </li><li> Führen Sie alle Messungen mit mindestens drei biologischen Replikaten. Erhöhen der Anzahl der biologischen Replikaten auf fünf oder mehr , wenn ein heterogenes Probenqualität erwartet werden kann, dh Variation in Blattoberflächenmorphologie und Dicke. </li><li> Berechnen der Leistung für die Übertragung (P T) und Reflexion (P R) von den gemessenen μ T oder R μ Werte multipliziert mit der gemessenen Laserleistung P Laser gemäß den Gleichungen 2 und 3. Gleichung 2:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg &quot;/&gt; Gleichung 3: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq3.jpg" /> HINWEIS: Die Übertragung kann auch mit einem Photodiodensensor während der Messung (siehe 6.3) bestimmt werden. </li></ol> 4. Die Messvorrichtung einrichten <ol><li> Montieren eines fasergekoppelten Einzel bar NIR-Diodenlaser (Wellenlänge = 1,550 nm) in einem 25,4-mm-Durchmesser Kegel auf einem Edelstahlhalter. Schließen Sie einen Regler die Ausgangsleistung (P Laser) des NIR - Laser 4-6 W. einstellen </li><li> Legen Sie eine bi-konvexe Linse mit einer Brennweite von 25,4 mm am Ende des Kegels, die Strahlbreite auf 13 mm einzustellen. </li><li> Setzen Sie eine Fotodiode Leistungssensor 354 mm unterhalb der Unterseite der Linse. Dann dämpfen die Photodiode durch einen Neutraldichtefilter mit einer optischen Dichte von 1,0 platzieren und einen 22 mm-Keramikschicht über dem Sensor. </li><li> Schließen Sie die Photodiode Leistungssensor mit einem Oszilloskop ein Koaxialkabel. </li><li> Verbindenein 10 x 10 cm Rahmen, der eine 6 × 6 cm Probenbelichtungsbereich mit dem Gerüst des Messaufbaus in einer Höhe von 308 mm unterhalb der Linse (1) hat. Befestigen Sie das Blatt Position im Raum, indem sie in den 10 x 10 cm Rahmenmontage. </li><li> Schließen Sie einen NIR-Detektor mit einem Personalcomputer einen Universal Serial Bus (USB) Kabel und die Software-Schnittstelle für den Detektor installieren. </li><li> Platzieren Sie den Detektor in einem 45 ° Winkel zu dem Laserstrahl 135 mm über der Keramikschicht. Richten den Messbereich des Detektors zu dem Laserflecks auf der Probe durch Variation der Sensorposition und der Winkel, bis die maximale Temperatursignal beobachtet wird. </li><li> Verwenden, um die Laser-Steuerschnittstellen-Software die Ausgangslaserleistung 5 W und die Dauer des Laserimpulses auf 0,5 s einzustellen. Wählen Sie die &quot;Stromregelung&quot; Befehl in der Steuerungsoptionen Fenster unterhalb der grafischen Darstellung der Laserleistung und stellen Sie die Laserleistung von &quot;5&quot; in den &amp; # eingeben34; Leistung [W] &quot;. Feld Stellen Sie die Laserpulsdauer durch Eingabe von&quot; 0,5 &quot;in die&quot; Zeit [s] &quot;ein. </li><li> Um die absolute Laserleistung für jeden Satz von Experimenten bestimmen, ersetzen Sie die Fotodiode Leistungssensor mit einer thermischen Flächenabsorber Leistungssensor am Ende eines jeden Satzes von Experimenten und messen die Laserausgangsleistung für 20 s ohne Probe. </li></ol> 5. Bereiten Sie die Blattproben <ol><li> Verwenden Sie intakt und unbeschädigte Blätter für die Messungen. </li><li> Falls für die Untersuchung, imitieren typische Arten Blattschäden durch das Blatt mit einem Skalpell Piercing, reibt das Blatt zwischen Latex-Handschuhe, Aussetzen des Blattes in eine offene Flamme oder ein Laserstrahl für 2-3 s oder andere Techniken verwenden, um andere zu simulieren Arten von Schäden. </li><li> Vorsichtig aber schnell die Blattprobe zwischen Probe-Halteklammern befestigen. </li></ol> 6. Nehmen Sie die Temperaturmessung <ol><li> Vermeiden Sie den direkten Kontakt zwischen dem Blatt und der KeramikDämpfungsglied über der Photodiode Sensor platziert künstliche Wärmeübertragung zu verhindern , die mit der Berechnung von c p, s und λ (siehe Abschnitt 9) stört. </li><li> Verwenden, um die Temperaturmessung Software das Temperaturprofil der Blattprobe für insgesamt 60 s über den NIR-Detektor zu sammeln. Zunächst wird die Temperatur Grundlage für 10 s aufzuzeichnen, dann aktivieren Sie den Laser für 0,5 s und die Datensammlung für 49,5 s weiter. <ol><li> Starten Sie eine Messung durch &quot;Messen&quot; und dann &quot;New Measurement&quot; klicken. Danach klicken Sie auf den grünen Pfeil über der grafischen Darstellung des thermischen Profils. Speichern Sie das Temperaturprofil, indem Sie auf das Symbol &quot;Speichern&quot; klicken (eine stilisierte Platte) über die grafische Darstellung des Profils. </li></ol></li><li> Bestätigen Sie die übertragenen Laserleistung mit Hilfe der Photodiode Leistungssensor durch die Differenz in der Signal für Messungen mit der Berechnung und ohne Blattprobe mit einem Oszilloskop verbundenan die Photodiode Leistungssensor über ein Koaxialkabel (Abbildung 2). <ol><li> Bestimmen die Höhe der beiden Flanken (f 1, f 2 S und, S) in dem Spannungsverlauf mit dem Oszilloskop erfasst. </li><li> Wiederholen Sie die Messung ohne Blattprobe als Referenz (f 1,0 und f 2,0). Berechnen Übertragungs μ T als das Verhältnis dieser Messungen gemäß Gleichung 4 (siehe auch 2). Gleichung 4: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq4.jpg" /></li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig2.jpg" /> Abbildung 2: Messblatt Übertragung einer Photodiode Stromsensor. A. Typische Spannungsprofil für einen Referenzversuch ohne eine Blattprobe visualisiert mit einem Oszilloskop. B. Spannungsprofilmit einer Blattprobe in der Vorrichtung montiert. In beiden Fällen ist die transmittierte Laserleistung auf jeder der beiden Flanken proportional. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 7. Berechnen Sie die spezifische Wärmekapazität des Blattprobe <ol><li> Berechne die maximale Temperaturdifferenz &amp; Delta; T [K] während des Laserpulses durch die Raumtemperatur T Subtrahieren 0 [K] aus dem maximalen Blatttemperatur T ma x [K] (Gleichung 5). Gleichung 5: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq5.jpg" /></li><li> Berechne die durch eine Blatt absorbierte Energie (E S [J]) basierend auf der effektiven Laserleistung und Laserpulsdauer (Gleichung 6), wobei P R [W] ist das reflektierte Laserleistung und P T [W] ist das übertragene Laser Power. Equation 6: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq6.jpg" /></li><li> Berechnen der Masse des erhitzten Blattfläche (m S [kg]) unter Verwendung von Gleichung 7, wobei d S [m] ist die Blattdicke nach 2.1), r Laser [m] der Radius des Laserflecks, V S [ m 3] die erhitzte Blattvolumen und ρ S [kg m -3] ist die Blattdichte gemäß 2.2). Gleichung 7: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq7.jpg" /></li><li> Berechnen c p, s [J kg -1 K -1] nach Gleichung 8 durch die absorbierte Energie E S dividiert durch das Produkt aus der erhitzten Blattfläche Masse m S und die maximale Temperaturdifferenz &amp; Delta; T. Gleichung 8: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq8.jpg" /></li></ol> 8. Bereiten Sie die Temperaturprofildaten für ThermBerechnungen al Leitfähigkeit <ol><li> Verwenden Sie den Befehl &quot;Export&quot; der NIR-Sensor Control Software, die Zeit und die Temperatur Rohdaten als * .dat-Datei und öffnen Sie die Datei in einem Tabellenkalkulationsprozessor zu exportieren. </li><li> Anwenden 1: 100 Datenreduktion, beispielsweise unter Verwendung eines &quot;IF (MOD (Value; 100) = 0;&quot; x &quot;,&quot; 0 &quot;)&quot; -Befehl, was zu einer Datendichte von einem Datenpunkt pro 0,1 s. </li><li> Berechne den Mittelwert T B Basistemperatur [° C] für jeden Temperaturprofil über den ersten 10 s einer Messung, während der der Laser noch ausgeschaltet war. Dann berechnet man die Differenz zwischen T B und der tatsächlichen Umgebungstemperatur T 0 [° C]. </li><li> Verwenden Sie diese Differenz individuell jedes Profil normalisieren , indem sie in Richtung T 0 (y-Normalisierung) verschoben wird , zB wenn T B - T 0 = 2,0 K, subtrahieren dann 2,0 K von jedem Temperaturwert im Temperatur profile (3A). </li><li> Normalisieren der Zeitkoordinate jedes Temperaturprofil (x-Normalisierung) von jedem Datenpunkt , bevor die maximale Probentemperatur (T max) zu löschen , und weisen neue Zeitwerte bei t = 0 für T max (3B). </li><li> Bildschirm jedes Profil für plötzliche Temperaturverschiebungen, dh Temperaturunterschiede , die mehr als das Dreifache der Grundrauschpegel sind, die typischerweise 3 × 0,31 K ≈ 1,0 K. diese Regionen aus dem Datensatz entfernen , weil sie entsprechen Artefakte Messung (3C ). </li><li> Setzen Sie einen exponentiellen Abfall - Funktion (Gleichung 9) auf die Daten einer Tabelle Prozessor, wobei T t [K] ist die Einbaublattprobentemperatur zum Zeitpunkt t [s], 0 T die Umgebungstemperatur, A [K] wird die Amplitude und t 1 [s] die Zerfallskonstante (Abbildung3D). Gleichung 9: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq9.jpg" /></li><li> Verwenden Sie die Funktion ausgestattet, die Temperatur Rückgang der Blattprobe 0-80 s nach dem Laserpuls zu berechnen. </li><li> Verwandeln Sie die Temperaturdaten gemessen in [° C] in die [K] Maßstab durch einen Wert von 273,15 jeder Temperaturdatenpunkt Hinzufügen (Abbildung 3E). </li></ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig3.jpg" /> Abbildung 3: Datenverarbeitungsschema für die Berechnung von λ. A. Nach der Datenreduktion, sind die Temperaturprofile auf die Umgebungstemperatur normalisiert. B. Als nächstes entfernt werden alle Datenpunkte , bevor die maximale Probentemperatur (T max). C. Messartefakte (in der &quot;inkonsistent&quot; Datensatz gezeigt) auf Temperatur identifiziert basierend verschiebt größer als threie fache der Basislinienrauschen und aus dem Datensatz vor der Montage einer Exponentialfunktion entfernt. D. Die Celsius-Temperaturskala ist in der Kelvin-Skala umgewandelt. E. Für jedes Zeitintervall wird λ berechnet basierend auf dem Temperaturprofil. F. Ein Fenster von 20 s, bei der eine relevante Temperaturänderung definiert beobachtet werden kann. G. Basierend auf der ausgewählten Zeitfenster werden der Mittelwert und die Standardabweichung für λ berechnet. H. Repräsentative Ergebnisse für zwei verschiedene N. tabacum Blattproben. Orange Pfeilen und Linien zeigen die Wirkung des entsprechenden Verarbeitungsschritts auf den vorgestellten Daten. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 9. Berechnung der Wärmeleitfähigkeit des Blattprobe <ol><li> Berechnen Sie die Temperatur difference zwischen der Blattprobe und der Umgebung für jeden 0,1-s - Intervall gemäß Gleichung 10, wobei &amp; Delta; T x [K] ist die Temperaturdifferenz, T t [° C] ist die Einbaublattprobentemperatur und T 0 [° C] die Umgebungstemperatur (Figur 3E). Gleichung 10: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq10.jpg" /></li><li> Es sei angenommen, dass der Rückgang der Temperatur auf die kombinierte Wirkung der konvektive Wärmeübertragung, Wärmestrahlung und Wärmeleitung zurückzuführen ist. Verwenden , um die entsprechende Energiebilanz (Gleichung 11) als Grundlage für die Berechnung von λ, wobei &amp; Delta; E Temp [J] ist der Unterschied in der Wärmeenergie der Probe bei zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten &amp; Delta; E rad [J] ist die Energiedifferenz durch Wärmestrahlung, ist &amp; Delta; E conv [J] die Energiedifferenz durch konvektive Wärmeübertragung und Δ; E cond [J] ist die Energiedifferenz aufgrund der Wärmeleitung. Gleichung 11: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq11.jpg" /></li><li> Ersetzen Sie die Allgemeinen Geschäfts in der Energiebilanz mit den tatsächlichen Eigenschaften physikalischen Gleichung ergibt 12, wobei &amp; Delta; T t [K] ist der Unterschied in Einbaublattprobentemperatur, ε der einheitslose Emissivität, σ [kg s -3 K -4] die Stefan -Boltzmann konstante, A rad [m 2] der Bereich der Wärmestrahlung, h [J s -1 m -2 K -1] die Konvektionswärmeübergangskoeffizienten, A CONV [m 2] der Bereich der konvektiven Wärmeübertragung, A cond [m 2] der Bereich der Wärmeleitung und l [m] der charakteristischen Länge. Gleichung 12: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq12.jpg" /></li><li> Berechnen Sie die characteristic Länge l basierend auf der Korrelation: L = V / A. </li><li> Verwenden des erhitzten V S Probenvolumen und die Querschnittsfläche der Blattprobe A [m 2] zu berechnen. Die Querschnittsblattfläche entspricht A cond nach Gleichung 13, wobei A cond ist das Gebiet , wo Leitungs auftritt, r Laser ist der Radius des Laserflecks und d s die Blattdicke. Gleichung 13: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq13.jpg" /></li><li> Berechnen Sie eine Rad - und A konv gemäß Gleichung 14, wobei ein Laser die Fläche des Laserspots ist. Gleichung 14: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq14.jpg" /></li><li> Substitute Gleichungen 9, 12 und 13 in die Gleichung 11 und die letztere für λ zu lösen, wodurch man 15 Equation wo t t Laser ister Laserpulsdauer [s]. Gleichung 15: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq15.jpg" /></li><li> Angenommen , ein Wert von 0,94 für ε und berechnen λ für jede 0,1-s Zeitintervall in den ersten 20 s des Temperaturprofils. Der Mittelwert der 200 Werte für λ auf diese Weise erhalten und berechnen Sie die Standardabweichung (3F - H). </li></ol>

<ol>
	<li>Wilhelm, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , 516 (2010).</li><li>Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermography+to+explore+plant-environment+interactions.">Thermography to explore plant-environment interactions.</a> J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).</li><li>Jayalakshmy, M. S., Philip, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermophysical+Properties+of+Plant+Leaves+and+Their+Influence+on+the+Environment+Temperature.">Thermophysical Properties of Plant Leaves and Their Influence on the Environment Temperature.</a> International Journal of Thermophysics. 31, 2295-2304 (2010).</li><li>Buyel, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Process+development+strategies+in+plant+molecular+farming.">Process development strategies in plant molecular farming.</a> Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).</li><li>Schuster, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effectiveness+of+cuticular+transpiration+barriers+in+a+desert+plant+at+controlling+water+loss+at+high+temperatures.">Effectiveness of cuticular transpiration barriers in a desert plant at controlling water loss at high temperatures.</a> AoB PLANTS. 8, (2016).</li><li>Parker, W. J., Jenkins, R. J., Abbott, G. L., Butler, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flash+Method+of+Determining+Thermal+Diffusivity,+Heat+Capacity,+and+Thermal+Conductivity.">Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity.</a> J Appl Phys. 32, 1679-1684 (1961).</li><li>Hays, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+thermal+conductivity+of+leaves.">The thermal conductivity of leaves.</a> Planta. 125, 281-287 (1975).</li><li>Menzel, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimized+blanching+reduces+the+host+cell+protein+content+and+substantially+enhances+the+recovery+and+stability+of+two+plant+derived+malaria+vaccine+candidates.">Optimized blanching reduces the host cell protein content and substantially enhances the recovery and stability of two plant derived malaria vaccine candidates.</a> Front. Plant Sci. , (2015).</li><li>Buyel, J. F., Hubbuch, J., Fischer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blanching+intact+leaves+or+heat+precipitation+in+an+agitated+vessel+or+heat+exchanger+removes+host+cell+proteins+from+tobacco+extracts.">Blanching intact leaves or heat precipitation in an agitated vessel or heat exchanger removes host cell proteins from tobacco extracts.</a> J. Vis. Exp. , (2015).</li><li>Beiss, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat-precipitation+allows+the+efficient+purification+of+a+functional+plant-derived+malaria+transmission-blocking+vaccine+candidate+fusion+protein.">Heat-precipitation allows the efficient purification of a functional plant-derived malaria transmission-blocking vaccine candidate fusion protein.</a> Biotechnol. Bioeng. 112, 1297-1305 (2015).</li><li>Buyel, J. F., Gruchow, H. M., T&#246;dter, N., Wehner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+thermal+properties+of+leaves+by+non-invasive+contact+free+laser+probing.">Determination of the thermal properties of leaves by non-invasive contact free laser probing.</a> J. Biotechnol. 217, 100-108 (2016).</li><li>Buyel, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numeric+simulation+can+be+used+to+predict+heat+transfer+during+the+blanching+of+leaves+and+intact.">Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact.</a> Biochem. Eng. J. , (2015).</li><li>Hedlund, H., Johansson, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+capacity+of+birch+determined+by+calorimetry:+implications+for+the+state+of+water+in+plants.">Heat capacity of birch determined by calorimetry: implications for the state of water in plants.</a> Thermochim Acta. 349, 79-88 (2000).</li><li>Chandrakanthi, M., Mehrotra, A. K., Hettiaratchi, J. P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+conductivity+of+leaf+compost+used+in+biofilters:+An+experimental+and+theoretical+investigation.">Thermal conductivity of leaf compost used in biofilters: An experimental and theoretical investigation.</a> Environ. Pollut. 136, 167-174 (2005).</li><li>Larcher, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , (2003).</li><li>Cowen, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+gamma-ray+burst's+enduring+fireball.">A gamma-ray burst's enduring fireball.</a> Science News. 152, 197 (1997).</li><li>Jones, H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+infrared+imaging+of+crop+canopies+for+the+remote+diagnosis+and+quantification+of+plant+responses+to+water+stress+in+the+field.">Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field.</a> Funct. Plant Biol. 36, 978-989 (2009).</li><li>Defraeye, T., Verboven, P., Ho, Q. T., Nicolai, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Convective+heat+and+mass+exchange+predictions+at+leaf+surfaces:+Applications,+methods+and+perspectives.">Convective heat and mass exchange predictions at leaf surfaces: Applications, methods and perspectives.</a> Comput. Electron. Agric. 96, 180-201 (2013).</li><li>Arndt, S. K., Irawan, A., Sanders, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Apoplastic+water+fraction+and+rehydration+techniques+introduce+significant+errors+in+measurements+of+relative+water+content+and+osmotic+potential+in+plant+leaves.">Apoplastic water fraction and rehydration techniques introduce significant errors in measurements of relative water content and osmotic potential in plant leaves.</a> Physiol. Plant. 155, 355-368 (2015).</li><li>Jones, H. G., Schofield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+and+other+remote+sensing+of+plant+stress.">Thermal and other remote sensing of plant stress.</a> General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).</li><li>Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation+measurement+for+plant+ecophysiology.">Radiation measurement for plant ecophysiology.</a> J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).</li><li>Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+capacity+measurements+of+various+biomass+types+and+pyrolysis+residues.">Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues.</a> Fuel. 115, 644-651 (2014).</li><li>Chaerle, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-sensor+plant+imaging:+Towards+the+development+of+a+stress-catalogue.">Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue.</a> Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).</li><li>Hackl, H., Baresel, J. P., Mistele, B., Hu, Y., Schmidhalter, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Comparison+of+Plant+Temperatures+as+Measured+by+Thermal+Imaging+and+Infrared+Thermometry.">A Comparison of Plant Temperatures as Measured by Thermal Imaging and Infrared Thermometry.</a> J. Agron. Crop. Sci. , 415-429 (2012).</li><li>Yuan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+analysis+of+winter+wheat+leaves+for+detection+and+differentiation+of+diseases+and+insects.">Spectral analysis of winter wheat leaves for detection and differentiation of diseases and insects.</a> Field Crops Res. 156, 199-207 (2014).</li></ol>

The authors have no conflicts of interest to disclose.

Die berührungslose, zerstörungsfreie Messung oben beschriebene Verfahren kann verwendet werden , c p, s und ʎ in einer simultanen und reproduzierbar zu bestimmen. Die Berechnung der ʎ insbesondere hängt von mehreren Parametern, die zu Fehlern empfindlich sind. Dennoch war die Wirkung dieser Fehler entweder linear oder Unter proportional, und der Variationskoeffizient für alle Parameter weniger als 10% festgestellt wurde. Obwohl das Verfahren somit als robust angesehen werden können, können ei...

Die groß angelegte Verarbeitung von biologischen Materialien erfordert häufig Wärmebehandlungsschritte wie Pasteurisierung. Die Ausrüstung für solche Verfahren kann genauer gestaltet werden , wenn die thermischen Eigenschaften der biologischen Materialien gut charakterisiert sind, einschließlich der spezifischen Wärmekapazität (C p, s) und der Wärmeleitfähigkeit (λ). Diese Parameter können leicht für Flüssigkeiten, Suspensionen und Homogenate von 1 Kalorimetrie bestimmt werden. Allerdings Messung solcher Parameter in festen Proben können arbeitsintensiv sein und erfordert oft einen direkten Kontakt mit der Probe oder sogar die Zerstörung 2. Beispielsweise erfordern Lichtwärmeumsetzmaterial Techniken direkten Kontakt zwischen der Probe und dem Detektor 3. Solche Einschränkungen sind während der Lebensmittelverarbeitung akzeptabel, aber mit stark regulierten Prozesse wie die Produktion von biopharmazeutischen Proteinen in Pflanzen im Rahmen der guten Herstellungs unvereinbar sind Praxis 4. ichn einem solchen Kontext wiederholt (beispielsweise wöchentlich) Überwachung der thermischen Eigenschaften kann während einer siebenwöchigen Wachstumsperiode für einzelne Pflanzen als Qualitätskontrollwerkzeug erforderlich. Wenn eine solche Überwachung erfordern würde und verbrauchen ein Blatt für jede Messung, gäbe es keine Biomasse übrig bleiben zum Zeitpunkt der Ernte verarbeitet werden. Zusätzlich nur mit Blattteilen anstatt auf die Pflanze Verwundung und das Risiko einer Nekrose oder Pathogeninfektion erhöhen würde dazu führen, was wiederum die Prozessausbeute verringert. Die Wahrscheinlichkeit der Pathogen-Infektion kann auch erhöhen, wenn ein Verfahren mit direktem Kontakt zu der Probe verwendet werden würde, zu induzieren, das Risiko, dass eine gesamte Charge von Pflanzen kann mit einem kontaminierten Sensoreinrichtung durch Kontakt infiziert werden. Ähnliche Aspekte müssen berücksichtigt werden für die Überwachung der Anlage , wie Dürre betont, zum Beispiel in einem ökophysiologische Kontext. Beispielsweise wird der Wasserverlust oft durch eine Änderung in der frischen Biomasse überwacht, die ein invasives tre erfordertatment der Pflanzen untersuchten 5, beispielsweise ein Blatt sezieren. Stattdessen wird die spezifische Wärmekapazität zu bestimmen, die auf der Wassergehalt einer Probe, wie hier beschreiben, in einem nicht-invasive Art und Weise abhängt, kann als Surrogatparameter für den Hydratationsstatus von Anlagen verwendet werden. In beiden Szenarien (pharmazeutische Produktion und Ökophysiologie), induzierte künstliche Spannungen, die durch destruktive oder invasive Messtechniken wäre schädlich, da sie die experimentellen Daten verzerren können. Daher zuvor berichtet Blitzverfahren 6 oder die Platzierung von Proben zwischen Silberplatten 7 sind ungeeignet für solche Verfahren und Experimente , weil sie entweder einen direkten Kontakt zu der Probe erfordern oder zerstörend sind. Die Parameter c p, s und λ müssen, um die Ausrüstung für eine blanchiert Schritt zu entwerfen bestimmt werden , die Produktreinigung vereinfachen und somit die Herstellungskosten 8-10 reduzieren. Sowohl cp, s und λ kann nun schnell durch berührungslose zerstörungs nahen Infrarot (NIR) Laser in konsistenter und reproduzierbarer Weise Sondieren 11 bestimmt werden und dieses neue Verfahren wird im Detail nachstehend erläutert. Die Ergebnisse mit diesem Verfahren erhalten wurden , wurden erfolgreich eingesetzt , die Wärmeübertragung zu simulieren , in Tabak 12 verlässt, so dass die Gestaltung geeigneter Verarbeitungsgeräte und die Auswahl der Parameter, wie die Blanchierung Temperatur entspricht. Das Verfahren ist einfach einzurichten (Abbildung 1) und hat zwei Phasen, Messung und Analyse, von denen jede zwei wichtige Schritte umfasst. In der Messphase wird zunächst eine Blattprobe lokal durch einen kurzen Laserpuls aufgeheizt und die maximale Probentemperatur aufgezeichnet. Das Temperaturprofil der Probe wird dann für eine Dauer von 50 s aufgezeichnet. In der Analysephase Blatteigenschaften wie Dichte (leicht und genau durch pyknometrische Measurem bestimmtent) mit dem maximalen Probentemperatur kombiniert c p, s berechnen. Im zweiten Schritt wird die Blatttemperaturprofil als Eingang für eine Energiebilanzgleichung unter Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung in Betracht, verwendet λ zu berechnen. Detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitungen sind im Protokollabschnitt, der an dem Inhalt des zugehörigen Video erweitert. Typische Messungen werden dann im Ergebnisteil gezeigt. Schließlich werden die Vorteile und Grenzen des Verfahrens sind, zusammen mit potenziellen Verbesserungen und weitere Anwendungen in der Diskussion Abschnitt hervorgehoben. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig1.jpg" /> Abbildung 1: Verwendetes Gerät Blatt thermischen Eigenschaften zu bestimmen. A. Fotografie der Messvorrichtung verwendet, um die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von le zu bestimmenAves. Die Peripheriegeräte (Computer, Oszilloskop) sind nicht gezeigt. B. Schematische Darstellung der Messvorrichtung. Der Laser und die angeschlossenen Geräte in Rot markiert sind, wird der NIR-Detektor für die Temperaturmessung in lila dargestellt, ist die Blattprobe grün und die Photodiode Leistungssensor ist blau. C. Zeichnung der Elemente des Messaufbaus mit dem gleichen Farbcode wie in B. Die Größe Balken zeigt 0,1 m. D. Screenshot illustriert die typischen Elemente der Lasersteuerungssoftware. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1207">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">1&#34; tube</td>
			<td style="width:259px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:136px;">SM1L10E</td>
			<td style="width:403px;">Tube for fiber holder</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Agarose</td>
			<td style="width:259px;">Sigma Aldrich</td>
			<td>A0701</td>
			<td>Agarose</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Bi-Convex lense f=25.4</td>
			<td style="width:259px;">Thorlabs</td>
			<td>LB1761</td>
			<td>Lense</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:411px;">Digital Handheld Optical&#160;Power and Energy Meter Console</td>
			<td style="width:259px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:136px;">PM100D</td>
			<td>Console for thermal surface absorber sensor</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Digital Phosphor Oscilloscope&#160;</td>
			<td style="width:259px;">Tektronix</td>
			<td style="width:136px;">DPO7104</td>
			<td>Oscilloscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">DMR light microscope</td>
			<td style="width:259px;">Leica</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Light microscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes</td>
			<td style="width:259px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:136px;">14-432-2</td>
			<td>Pycnometer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Ferty 2 Mega</td>
			<td style="width:259px;">Kammlott</td>
			<td style="width:136px;">5.220072</td>
			<td>Fertilizer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Fiber holder</td>
			<td style="width:259px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td>Fiber holder</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Forma -86C ULT freezer</td>
			<td style="width:259px;">ThermoFisher</td>
			<td style="width:136px;">88400</td>
			<td>Freezer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Greenhouse</td>
			<td style="width:259px;">n.a.</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>For plant cultivation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Grodan Rockwool Cubes 10x10cm</td>
			<td style="width:259px;">Grodan</td>
			<td style="width:136px;">102446</td>
			<td>Rockwool block</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Infrared Detector Optris CT</td>
			<td style="width:259px;">Optris</td>
			<td style="width:136px;">OPTCTLT15</td>
			<td>Infrared detector</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Infrared Detector Software Compact Connect</td>
			<td style="width:259px;">Optris</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Control software for infrared detector</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Lambda 1050 UV/Vis spectrophotometer</td>
			<td style="width:259px;">PerkinElmer</td>
			<td>L1050</td>
			<td>UV/VIS Spectrophotometer</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:411px;">Laser 400&#956;m, 1550nm Conduction Cooled Single Bar Fiber Coupled Module</td>
			<td style="width:259px;">DILAS</td>
			<td style="width:136px;">M1F-SS2.1</td>
			<td>Laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Laser cover&#160;</td>
			<td style="width:259px;">Amtron</td>
			<td style="width:136px;">LM200</td>
			<td>Laser Cover</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Laser Driver&#160;</td>
			<td style="width:259px;">Amtron</td>
			<td style="width:136px;">CS 408</td>
			<td>Laser Driver</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Osram cool white 36 W</td>
			<td style="width:259px;">Osram</td>
			<td style="width:136px;">4930440</td>
			<td>Light source</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Photodiode sensor&#160;</td>
			<td style="width:259px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:136px;">PDA20H-EC</td>
			<td>Power sensor for transmission measurements</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Precision weight Ohaus Analytical Plus</td>
			<td style="width:259px;">Ohaus</td>
			<td style="width:136px;">80251552</td>
			<td>Precision weight</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Sample frame</td>
			<td style="width:259px;">Fraunhofer ILT</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Fixation of the leaf sample</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Software Pyro Control</td>
			<td style="width:259px;">Amtron</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Laser Power Control Software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Stainless-steel-holder</td>
			<td style="width:259px;">n.a.</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Holder for measurement set-up</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Teflon plates 2cm</td>
			<td style="width:259px;">Fraunhofer ILT</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Teflon attenuation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Thermal surface absorber Power sensor</td>
			<td style="width:259px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:136px;">S314C</td>
			<td>Sensor for laser power measurements</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Vibratome</td>
			<td style="width:259px;">Leica</td>
			<td style="width:136px;">1491200S001</td>
			<td>Vibratome</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:411px;">Zoc/Pro 6.51&#160;</td>
			<td style="width:259px;">EmTec Innovative Software</td>
			<td style="width:136px;">n.a.</td>
			<td>Laser Control Software&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a rapid laser probing method facilitates the non-invasive and contact-free determination of leaf thermal properties

Pflanzen können wertvolle Substanzen wie sekundäre Stoffwechselprodukte und rekombinante Proteine ​​produzieren. Die Reinigung des letzteren aus pflanzlicher Biomasse kann durch Wärmebehandlung (Blanchieren) rationalisiert werden. A Blanchierens Vorrichtung kann genauer gestaltet werden , wenn die thermischen Eigenschaften der Blätter im Detail, dh der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit bekannt sind. Die Messung dieser Eigenschaften ist zeitaufwendig und arbeitsintensiv und erfordert in der Regel invasive Methoden, die die Probe direkt in Verbindung. Dies kann die Produktausbeute verringern und kann mit Contain Anforderungen, zum Beispiel im Rahmen der guten Herstellungspraxis unvereinbar. Um diese Probleme anzugehen, eine nicht-invasive, berührungslose Verfahren entwickelt, dass die spezifische Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit eines intakten Pflanzenblatt in etwa einer Minute bestimmt. Das Verfahren beinhaltet die Anwendung eines kurzen Laserimpuls von definierter Länge und Intensität auf einen kleinen Bereich derBlattprobe, um einen Temperaturanstieg verursacht, der einen nahen Infrarotsensor gemessen wird. Die Temperaturerhöhung wird mit bekannten Blatteigenschaften (Dicke und Dichte) kombiniert, um die spezifische Wärmekapazität zu bestimmen. Die Wärmeleitfähigkeit wird dann basierend auf dem Profil des anschließenden Temperaturabfalls berechnet, Wärmestrahlung und konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt wird. Die dazugehörigen Berechnungen und kritische Aspekte der Handhabung der Proben werden diskutiert.

Die Messung der Blatteigenschaften Unter Verwendung der obigen mikroskopischen Methode, eine Blattdicke von 0,22 bis 0,29 × 10 - 3 m wurde für beide N. tabacum (0,25 ± 0,04 × 10 - 3 m, n = 33) bestimmt und N. benthamiana (0,26 ± 0,02 × 10 - 3 m, n = 24), die innerhalb der 0,20 bis 0,33 × 10 gut ist - 3</s...

Watch this Scientific Journal Video about A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties at JoVE.com

A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties

A method was developed to determine the specific heat capacity and thermal conductivity of leaf tissue by non-invasive, contact-free near infrared laser probing, which requires less than 1 min per sample.

Ein Rapid-Laser Probing Verfahren erleichtert die Nicht-invasive und berührungslose Bestimmung der Blatt Thermische Eigenschaften

Plants can produce valuable substances such as secondary metabolites and recombinant proteins. The purification of the latter from plant biomass can be ...

a-rapid-laser-probing-method-facilitates-non-invasive-contact-free

Research

JoVE Journal

Biochemistry

7.2K Aufrufe.  Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.. A method was developed to determine the specific heat capacity and thermal conductivity of leaf tissue by non-invasive, contact-free near infrared laser probing, which requires less than 1 min per sample.

Serie: A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties

Experimental Design for Laser Microdissection RNA-Seq: Lessons from an Analysis of Maize Leaf Development

Genes with important roles in development frequently have spatially and/or temporally restricted expression patterns. Often these gene transcripts are not detected or are not identified as differentially expressed (DE) in transcriptomic analyses of whole plant organs. Laser Microdissection RNA-Seq (LM RNA-Seq) is a powerful tool to identify genes that are DE in specific developmental domains. However, the choice of cellular domains to microdissect and compare, and the accuracy of the microdissections are crucial to the success of the experiments. Here, two examples illustrate design considerations for transcriptomics experiments; a LM RNA-seq analysis to identify genes that are DE along the maize leaf proximal-distal axis, and a second experiment to identify genes that are DE in liguleless1-R (lg1-R) mutants compared to wild-type. Key elements that contributed to the success of these experiments were detailed histological and in situ hybridization analyses of the region to be analyzed, selection of leaf primordia at equivalent developmental stages, the use of morphological landmarks to select regions for microdissection, and microdissection of precisely measured domains. This paper provides a detailed protocol for the analysis of developmental domains by LM RNA-Seq. The data presented here illustrate how the region selected for microdissection will affect the results obtained.

Many developmentally important genes have cell- or tissue-specific expression patterns. This paper describes LM RNA-seq experiments to identify genes that are differentially expressed at the maize leaf blade-sheath boundary and in lg1-R mutants compared to wild-type. The experimental considerations discussed here apply to transcriptomic analyses of other developmental phenomena.

Experimentelles Design für Laser Mikrodissektion RNA-Seq: Lehren aus einer Analyse von Maisblattentwicklung

Genes with important roles in development frequently have spatially and/or temporally restricted expression patterns. Often these gene transcripts are not ...

Forschung

Biochemie

Production, Crystallization and Structure Determination of C. difficile PPEP-1 via Microseeding and Zinc-SAD

New therapies are needed to treat Clostridium difficile infections that are a major threat to human health. The C. difficile metalloprotease PPEP-1 is a target for future development of inhibitors to decrease the virulence of the pathogen. To perform biophysical and structural characterization as well as inhibitor screening, large amounts of pure and active protein will be needed. We have developed a protocol for efficient production and purification of PPEP-1 by the use of E. coli as the expression host yielding sufficient amounts and purity of protein for crystallization and structure determination. Additionally, using microseeding, highly intergrown crystals of PPEP-1 can be grown to well-ordered crystals suitable for X-ray diffraction analysis. The methods could also be used to produce other recombinant proteins and to study the structures of other proteins producing intergrown crystals.

Production, Crystallization and Structure Determination of C. difficile PPEP-1 via Microseeding and Zinc-SAD

Proline-proline endopeptidase-1 (PPEP-1) is a secreted metalloprotease and promising drug-target from the human pathogen Clostridium difficile. Here we describe all methods necessary for the production and structure determination of this protein.

Produktion, Kristallisation und Strukturbestimmung<em&gt; C. difficile</em&gt; PPEP-1 über Microseeding und Zink-SAD

New therapies are needed to treat Clostridium difficile infections that are a major threat to human health. The C. difficile metalloprotease PPEP-1 is a ...

Differential Scanning Calorimetry &#8212; A Method for Assessing the Thermal Stability and Conformation of Protein Antigen

Differential scanning calorimetry (DSC) is an analytical technique that measures the molar heat capacity of samples as a function of temperature. In the case of protein samples, DSC profiles provide information about thermal stability, and to some extent serves as a structural &#8220;fingerprint&#8221; that can be used to assess structural conformation. It is performed using a differential scanning calorimeter that measures the thermal transition temperature (melting temperature; Tm) and the energy required to disrupt the interactions stabilizing the tertiary structure (enthalpy; &#8710;H) of proteins. Comparisons are made between formulations as well as production lots, and differences in derived values indicate differences in thermal stability and structural conformation. Data illustrating the use of DSC in an industrial setting for stability studies as well as monitoring key manufacturing steps are provided as proof of the effectiveness of this protocol. In comparison to other methods for assessing the thermal stability of protein conformations, DSC is cost-effective, requires few sample preparation steps, and also provides a complete thermodynamic profile of the protein unfolding process.

Differential scanning calorimetry measures the thermal transition temperature(s) and total heat energy required to denature a protein. Results obtained are used to assess the thermal stability of protein antigens in vaccine formulations.

Differential Scanning Calorimetry - Eine Methode zur Beurteilung der thermischen Stabilität und Konformation von Protein-Antigen

Differential scanning calorimetry (DSC) is an analytical technique that measures the molar heat capacity of samples as a function of temperature. In the ...

Determination of the Glycogen Content in Cyanobacteria

Cyanobacteria accumulate glycogen as a major intracellular carbon and energy storage&#160;during photosynthesis. Recent developments in research have highlighted complex mechanisms of glycogen metabolism, including the diel cycle of biosynthesis and catabolism, redox regulation, and the involvement of non-coding RNA. At the same time, efforts are being made to redirect carbon from glycogen to desirable products in genetically engineered cyanobacteria to enhance product yields. Several methods are used to determine the glycogen contents in cyanobacteria, with variable accuracies and technical complexities. Here, we provide a detailed protocol for the reliable determination of the glycogen content in cyanobacteria that can be performed in a standard life science laboratory. The protocol entails the selective precipitation of glycogen from the cell lysate and the enzymatic depolymerization of glycogen to generate glucose monomers, which are detected by a glucose oxidase-peroxidase (GOD-POD) enzyme coupled assay. The method has been applied to Synechocystis sp. PCC 6803 and Synechococcus sp. PCC 7002, two model cyanobacterial species that are widely used in metabolic engineering. Moreover, the method successfully showed differences in the glycogen contents between the wildtype and mutants defective in regulatory elements or glycogen biosynthetic genes.

Here, we present a reliable and easy assay to measure the glycogen content in cyanobacterial cells. The procedure entails precipitation, selectable depolymerization, and the detection of glucose residues. This method is suitable for both wildtype and genetically engineered strains and can facilitate the metabolic engineering of cyanobacteria.

Bestimmung des Glykogengehalts in Cyanobakterien

Cyanobacteria accumulate glycogen as a major intracellular carbon and energy storage&#160;during photosynthesis. Recent developments in research have ...

Rapid Isolation of the Mitoribosome from HEK Cells

The human mitochondria possess a dedicated set of ribosomes (mitoribosomes) that translate 13 essential protein components of the oxidative phosphorylation complexes encoded by the mitochondrial genome. Since all proteins synthesized by human mitoribosomes are integral membrane proteins, human mitoribosomes are tethered to the mitochondrial inner membrane during translation. Compared to the cytosolic ribosome the mitoribosome has a sedimentation coefficient of 55S, half the rRNA content, no 5S rRNA and 36 additional proteins. Therefore, a higher protein-to-RNA ratio and an atypical structure make the human mitoribosome substantially distinct from its cytosolic counterpart.
Despite the central importance of the mitoribosome to life, no protocols were available to purify the intact complex from human cell lines. Traditionally, mitoribosomes were isolated from mitochondria-rich animal tissues that required kilograms of starting material. We reasoned that mitochondria in dividing HEK293-derived human cells grown in nutrient-rich expression medium would have an active mitochondrial translation, and, therefore, could be a suitable source of material for the structural and biochemical studies of the mitoribosome. To investigate its structure, we developed a protocol for large-scale purification of intact mitoribosomes from HEK cells. Herein, we introduce nitrogen cavitation method as a faster, less labor-intensive and more efficient alternative to traditional mechanical shear-based methods for cell lysis. This resulted in preparations of the mitoribosome that allowed for its structural determination to high resolution, revealing the composition of the intact human mitoribosome and its assembly intermediates. Here, we follow up on this work and present an optimized and more cost-effective method requiring only ~1010 cultured HEK cells. The method can be employed to purify human mitoribosomal translating complexes, mutants, quality control assemblies and mitoribosomal subunits intermediates. The purification can be linearly scaled up tenfold if needed, and also applied to other types of cells.

Mitochondria have specialized ribosomes that diverged from their bacterial and cytoplasmic counterparts. Here we show how mitoribosomes can be obtained from their native compartment in HEK cells. The method involves isolation of mitochondria from suspension cells and consequent purification of mitoribosomes.

Schnelle Isolierung von Mitoribosome von HEK Zellen

The human mitochondria possess a dedicated set of ribosomes (mitoribosomes) that translate 13 essential protein components of the oxidative ...

Leaf Spray Mass Spectrometry: A Rapid Ambient Ionization Technique to Directly Assess Metabolites from Plant Tissues

Plants produce thousands of small molecules that are diverse in their chemical properties. Mass spectrometry (MS) is a powerful technique for analyzing plant metabolites because it provides molecular weights with high sensitivity and specificity. Leaf spray MS is an ambient ionization technique where plant tissue is used for direct chemical analysis via electrospray, eliminating chromatography from the process. This approach to sampling metabolites allows for a wide range of chemical classes to be detected simultaneously from intact plant tissues, minimizing the amount of sample preparation needed. When used with a high-resolution, accurate mass MS, leaf spray MS facilitates the rapid detection of metabolites of interest. It is also possible to collect tandem mass fragmentation data with this technique to facilitate a compound identification. The combination of accurate mass measurements and fragmentation is beneficial in confirming compound identities. The leaf spray MS technique requires only minor modifications to a nanospray ionization source and is a useful tool to further expand the capabilities of a mass spectrometer. Here, fresh leaf tissue from Sceletium tortuosum (Aizoaceae), a traditional medicinal plant from South Africa, is analyzed; numerous mesembrine alkaloids are detected with leaf spray MS.

Leaf spray mass spectrometry is a direct chemical analysis technique that minimizes the sample preparation and eliminates chromatography, allowing for the rapid detection of small molecules from plant tissues.

Blatt-Spray-Massenspektrometrie: Eine schnelle Ambient Ionisation Technik direkt Metaboliten von Pflanzengewebe bewerten

Plants produce thousands of small molecules that are diverse in their chemical properties. Mass spectrometry (MS) is a powerful technique for analyzing ...

Probing The Structure And Dynamics Of Nucleosomes Using Atomic Force Microscopy Imaging

Chromatin, which is a long chain of nucleosome subunits, is a dynamic system that allows for such critical processes as DNA replication and transcription to take place in eukaryotic cells. The dynamics of nucleosomes provides access to the DNA by replication and transcription machineries, and critically contributes to the molecular mechanisms underlying chromatin functions. Single-molecule studies such as atomic force microscopy (AFM) imaging have contributed significantly to our current understanding of the role of nucleosome structure and dynamics. The current protocol describes the steps enabling high-resolution AFM imaging techniques to study the structural and dynamic properties of nucleosomes. The protocol is illustrated by AFM data obtained for the centromere nucleosomes in which H3 histone is replaced with its counterpart centromere protein A (CENP-A). The protocol starts with the assembly of mono-nucleosomes using a continuous dilution method. The preparation of the mica substrate functionalized with aminopropyl silatrane (APS-mica) that is used for the nucleosome imaging is critical for the AFM visualization of nucleosomes described and the procedure to prepare the substrate is provided. Nucleosomes deposited on the APS-mica surface are first imaged using static AFM, which captures a snapshot of the nucleosome population. From analyses of these images, such parameters as the size of DNA wrapped around the nucleosomes can be measured and this process is also detailed. The time-lapse AFM imaging procedure in the liquid is described for the high-speed time-lapse AFM that can capture several frames of nucleosome dynamics per second. Finally, the analysis of nucleosome dynamics enabling the quantitative characterization of the dynamic processes is described and illustrated.

Here, we present a protocol to characterize nucleosome particles at the single-molecule level using static and time-lapse atomic force microscopy (AFM) imaging techniques. The surface functionalization method described allows for the capture of the structure and dynamics of nucleosomes in high-resolution at the nanoscale.

Erforschung der Struktur und Dynamik der Nukleosomen mit Atomic Force Microscopy Imaging

Chromatin, which is a long chain of nucleosome subunits, is a dynamic system that allows for such critical processes as DNA replication and transcription ...

Rapid Collection of Floral Fragrance Volatiles using a Headspace Volatile Collection Technique for GC-MS Thermal Desorption Sampling

Fragrances of many flower families have been sampled and the volatiles analyzed. Knowing the compounds that make up the fragrances can be an important step to conservation of flowers that are threatened or endangered. Because floral fragrance is critical for attracting pollinators, this method could be used to better understand or even enhance pollination. We present a protocol using a portable charcoal air filter and vacuum to collect floral fragrance volatiles, which are then analyzed by a GC-MS. By using this method, fragrance volatiles can be sampled using a non-destructive method with a machine that is easily transported. This methodology uses a rapid sampling procedure, cutting sampling time down from 2-3 hours to approximately 10 minutes. Using GC-MS, the fragrance compounds can be identified individually, based on authentic standards. The steps used for collecting fragrance and control data are presented, from material setup to collecting the data output.

Here, we present a protocol for collecting the floral fragrance volatiles from blooming flowers, using a non-destructive sampling procedure.

Schnelle Sammlung von floralen Duftflüchtigen mit einer Headspace Volatile Collection Technique für GC-MS Thermal Desorption Sampling

Fragrances of many flower families have been sampled and the volatiles analyzed. Knowing the compounds that make up the fragrances can be an important ...

Production, Crystallization, and Structure Determination of the IKK-binding Domain of NEMO

NEMO is a scaffolding protein which plays an essential role in the NF-&#954;B pathway by assembling the IKK-complex with the kinases IKK&#945; and IKK&#946;. Upon activation, the IKK complex phosphorylates the I&#954;B molecules leading to NF-&#954;B nuclear translocation and activation of target genes. Inhibition of the NEMO/IKK interaction is an attractive therapeutic paradigm for the modulation of NF-&#954;B pathway activity, making NEMO a target for inhibitors design and discovery. To facilitate the process of discovery and optimization of NEMO inhibitors, we engineered an improved construct of the IKK-binding domain of NEMO that would allow for structure determination of the protein in the apo form and while bound to small molecular weight inhibitors. Here, we present the strategy utilized for the design, expression and structural characterization of the IKK-binding domain of NEMO. The protein is expressed in E. coli cells, solubilized under denaturing conditions and purified through three chromatographic steps. We discuss the protocols for obtaining crystals for structure determination and describe data acquisition and analysis strategies. The protocols will find wide applicability to the structure determination of complexes of NEMO and small molecule inhibitors.

We describe protocols for the structure determination of the IKK-binding domain of NEMO by X-ray crystallography. The methods include protein expression, purification and characterization as well as strategies for successful crystal optimization and structure determination of the protein in its unbound form.

Produktion, Kristallisation und Strukturbestimmung der IKK-bindungsdomäne von NEMO

NEMO is a scaffolding protein which plays an essential role in the NF-&#954;B pathway by assembling the IKK-complex with the kinases IKK&#945; and ...

A Planarian Motility Assay to Gauge the Biomodulating Properties of Natural Products

A straightforward, controllable means of using the non-parasitic planarian, Dugesia tigrina, a free-living aquatic flatworm, to study the stimulant and withdrawal properties of natural products is described. Experimental assays benefitting from unique aspects of planarian physiology have been applied to studies on wound healing, regeneration, and tumorigenesis. In addition, because planarians exhibit sensitivity to a variety of environmental stimuli and are capable of learning and developing conditioned responses, they can be used in behavioral studies examining learning and memory. Planarians possess a basic bilateral symmetry and a central nervous system that uses neurotransmitter systems amenable to studies examining the effects of neuromuscular biomodulators. Consequently, experimental systems monitoring planarian movement and motility have been developed to examine substance addiction and withdrawal. Because planarian motility offers the potential for a sensitive, easily standardized motility assay system to monitor the effect of stimuli, the planarian locomotor velocity (pLmV) test was adapted to monitor both stimulation and withdrawal behaviors by planarians through the determination of the number of grid lines crossed by the animals with time. Here, the technique and its application are demonstrated and explained.

Planarian motility is used to gauge the stimulant and withdrawal properties of natural products when compared to the movement of the animals in spring water alone.

Ein planarischer Motilitätstest zur Messung der biomodulierenden Eigenschaften natürlicher Produkte

A straightforward, controllable means of using the non-parasitic planarian, Dugesia tigrina, a free-living aquatic flatworm, to study the stimulant and ...