Relaisstation im Gehirn steuert unsere Bewegungen

Medienmitteilung der Universität Basel vom 14.05.2019

Die Relaisstation des Gehirns, die Substantia nigra, beherbergt verschiedene Arten von Nervenzellen und ist für die Ausführung von Bewegungen zuständig. Forschende am Biozentrum der Universität Basel haben nun zwei dieser Zellpopulationen genauer charakterisiert und konnten ihnen jeweils eine genaue Funktion zuordnen. Die Ergebnisse der Untersuchung sind jetzt in «Cell Reports» veröffentlicht.

Egal ob wir unsere Arme, Beine oder den gesamten Körper bewegen, alles wird zentral von unserem Gehirn gesteuert. Dabei spielen verschiedene Hirnregionen und ihre Netzwerke eine wichtige Rolle. So auch die Substantia nigra, eine bislang wenig erforschte Gehirnregion. Wie eine Relaisstation empfängt und verteilt sie Signale, um eine gewünschte Bewegung zu koordinieren und auszuführen. Im Mausmodell hat die Forschungsgruppe von Prof. Kelly Tan am Biozentrum der Universität Basel nun zwei Zellpopulationen in dieser Hirnregion identifiziert, die für verschiedene Aspekte einer Bewegung verantwortlich sind.

Korrekte Bewegung dank Teamwork von Neuronenpopulationen

Das Forschungsteam hat dazu die Substantia nigra anatomisch, genetisch und funktionell untersucht. Es zeigte sich, dass diese Region aus mehreren unterschiedlichen Typen von Nervenzellen besteht. Für zwei der Populationen haben die Forscher nun die genaue Funktion aufgeklärt: Während die eine Population für die Ingangsetzung einer gewünschten Bewegung verantwortlich ist, sorgt die zweite für deren Fortführung.

«Die Heterogenität von Nervenzellpopulationen im Gehirn, auch in der Substantia nigra, ist ein bekanntes Konzept. Mit unserer Studie konnten wir nun nicht nur die Funktion von zwei Gruppen von Nervenzellen entschlüsseln, sondern auch zeigen, dass diese beiden Populationen zusammenarbeiten, um eine Bewegung korrekt auszuführen», sagt Giorgio Rizzi, Erstautor der Studie.

Signale zur Bewegungssteuerung laufen bei Parkinson ins Leere

Die Erkenntnisse der Studie sind auch im Hinblick auf das Parkinson-Syndrom von Bedeutung. Die Betroffenen leiden unter motorischen Störungen, da bestimmte Nervenzellen bei ihnen absterben. «Interessanterweise interagieren diese Zellen mit der von uns identifizierten Zellpopulation, welche Bewegungen initiiert. Der Verlust dieser bestimmten Nervenzelltypen bei Parkinson bedeutet, dass Signale nicht mehr weitergeleitet bzw. empfangen werden. Diese Fehlfunktion könnte der Grund für die bei Parkinsonpatienten beobachtete gestörte Bewegungsinitiierung sein», sagt Kelly Tan.

Zukünftig möchte das Forschungsteam weitere Zellpopulationen in der Substantia nigra identifizieren und ihre motorischen Funktionen aufklären. «In Bezug auf Parkinson möchten wir untersuchen, wie sich die Netzwerke in Folge der Erkrankung verändern und wie sich dies auf die Bewegungsabläufe auswirkt. Wenn wir die Veränderungen der Netzwerke verstehen, finden wir vielleicht auch Wege, diese neurodegenerative Erkrankung besser zu handhaben und die Symptome von Parkinson-Patienten zu lindern», so Kelly Tan.

Originalbeitrag:
Giorgio Rizzi and Kelly R. Tan
Synergistic Nigral Output Pathways Shape Movement
Cell Reports (2019), doi: 10.1016/j.celrep.2019.04.068

Externer Link: www.unibas.ch

Symbionten als Lebensretter

Pressemeldung der Universität Wien vom 14.05.2019

ForscherInnen entdecken neuen Faktor bei der Verbreitung von Legionellen

Wenn Menschen an einer bakteriellen Infektion erkranken, steht zunächst die Behandlung der Erkrankung im Vordergrund. Aber woher kommen diese Krankheitserreger eigentlich und wo leben sie, wenn Sie nicht im Zusammenhang mit einer Infektion in Erscheinung treten? Ein internationales Team um Matthias Horn vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien hat dies am Beispiel eines Erregers von Lungenerkrankungen untersucht. Die Ergebnisse ihrer Studie erscheinen aktuell in der Fachzeitschrift mBio.

Legionella pneumophila heißt der Erreger der Legionärskrankheit (Legionellose), einer atypischen Lungenentzündung, der für gesunde Menschen eher harmlos ist, bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem aber lebensbedrohlich sein kann. Die Anzahl an Erkrankungen durch Legionellen ist in den 2000er Jahren weltweit stetig gestiegen, mit zuletzt 228 registrierten Fällen und 10 Todesfällen in 2017 in Österreich. Der letzte große Ausbruch in Europa ereignete sich im September 2018 in der italienischen Stadt Brescia. Über 400 Patienten erkrankten an Lungenentzündung und wurden im Spital behandelt.

Der natürliche Lebensraum der Legionellen sind Sedimente von Seen und Flüssen, sie kommen aber auch in Wasserleitungssystemen vor. „Dort vermehren sie sich in Einzellern, die sie anschließend zerstören. Genau diese Eigenschaft erlaubt Legionellen auch die Infektion des Menschen. Zur Erkrankung kommt es in der Regel erst nachdem sich Legionellen in Einzellern vermehrt haben“, erklärt Matthias Horn vom neu gegründeten Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft, der gemeinsam mit seinem Team und WissenschafterInnen des renommierten Institut Pasteur und der University of Michigan das Leben der Legionellen in Einzellern untersucht hat.

Schutz vor Krankheitserregern

Mit der Fähigkeit in Einzellern zu überleben sind Legionellen nicht allein. Einzeller beherbergen häufig andere Bakterien, die ihnen jedoch nicht schaden, sogenannte Endosymbionten. Das ForscherInnenteam hat nun herausgefunden, dass diese Bakterien maßgeblich die Vermehrung und Verbreitung von Legionellen beeinflussen. In zahlreichen Experimenten konnten Sie nachweisen, dass Legionellen sich weniger gut in Amöben vermehren können, wenn diese Endosymbionten enthalten. Erstaunlicherweise überleben dabei die meisten Amöben mit Endosymbionten die ansonsten letale Infektion mit Legionellen. „Jene Bakterien, die sich vorher in Amöben mit Endosymbionten vermehrt hatten, waren deutlich weniger infektiös, konnten also weit weniger effizient neue Amöben attackieren“, berichtet Lena König, Erstautorin der Studie und Doktorandin am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft.

Dem molekularen Mechanismus auf der Spur

Um besser zu verstehen, was innerhalb von Amöben passiert, die zeitgleich Endosymbionten beherbergen und von Legionellen infiziert werden, haben sich die WissenschafterInnen die Genexpression beider Bakterien genauer angesehen. „Die RNA-Sequenzierung erlaubt Rückschlüsse auf biologische Ereignisse, die sich innerhalb der Einzeller abspielen“, erklärt Cecilia Wentrup, die als Postdoktorandin maßgeblich am Projekt beteiligt war. König ergänzt: „Dabei haben wir eine Erklärung für die Reduktion der Infektiosität der Legionellen gefunden. Diese scheinen nämlich den natürlichen Endosymbionten der Amöben in der Konkurrenz um Nährstoffe zu unterliegen, die beide von den Einzellern benötigen.“ Die Folge: Legionellen vermehren sich langsamer und können für die Infektion von Amöbe und Mensch notwendige Faktoren nicht produzieren. Die Krankheitserreger sind beispielsweise nicht beweglich und es fehlen ihnen wichtige Speicherstoffe.

Vom Labor in die Umwelt

Eine weitere Beobachtung ließ die ForscherInnen aufhorchen. Der Wachstumsstopp funktionierte nicht nur mit den üblicherweise verwendeten Laborstämmen, sondern auch mit frisch aus der Umwelt gewonnenen Amöben, sowie mit kürzlich isolierten Legionellen. Endosymbionten von Amöben sind also nicht nur unter Laborbedingungen, sondern vermutlich auch in der Umwelt ein wichtiger Faktor bei der Vermehrung und Verbreitung von Legionellen. Dies erscheint insbesondere deshalb interessant, da die meisten Einzeller unter natürlichen Bedingungen bakterielle Symbionten tragen. Die aktuelle Studie leistet damit einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Lebensweise dieser bakteriellen Krankheitserreger in der Umwelt.

Das Projekt wurde an der Universität Wien im Rahmen des FWF-Projekts „Eukaryotic genes in vacuolar pathogens and symbionts (EUGENPATH)“ und eines Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship-Stipendiums durchgeführt.

Publikation:
Lena König, Cecilia Wentrup, Frederik Schulz, Florian Wascher, Sarah Escola, Michele S. Swanson, Carmen Buchrieser, Matthias Horn. mBio. 2019. Symbiont-mediated defense against Legionella pneumophila in amoebae.
DOI: 10.1128/mBio.00333-19

Externer Link: www.univie.ac.at

technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2019

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Building a Cybersecurity Toolkit
David Aucsmith (University of Washington)
Start: 14.05.2019 / Arbeitsaufwand: 8-20 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Ökologische Klebstoffe aus Pflanzenöl

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2019

Die Nachfrage nach grünen Produkten steigt. Doch nachhaltig sind Waren erst dann, wenn die verwendeten Klebstoffe und Lacke ebenfalls aus biobasierten Rohstoffen hergestellt werden. Materialkonzepte aus Fraunhofer-Laboren sollen helfen.

Bioprodukte boomen. Denn statt Massentierhaltung und Chemikalien-Cocktails auf den Feldern wünschen sich viele Verbraucher sattgrüne Weiden für die Tiere, möglichst unbehandeltes Obst und Gemüse sowie Textilien aus ökologisch erzeugter Baumwolle. Allerdings ist es nicht damit getan, Kunststoffe durch Materialien wie Holz oder Kork zu ersetzen. Wirklich nachhaltig sind die Produkte nur dann, wenn auch die Klebstoffe und Lacke aus biobasierten Rohstoffen hergestellt werden.

Bisher bestehen Klebstoffe und Co. meist aus duroplastischen Epoxidharzen auf Erdölbasis. Einfacher gesagt: aus Kunstharzen, die sich – einmal erwärmt – nicht mehr verformen lassen. Als Bausteine für diese Epoxidharze dienen Monomere. Gibt man einen Härter hinzu, vernetzen sich die Einzelmoleküle zu einem festen Kunststoff, der sich nicht mehr aufschmelzen lässt. Über zugegebene Funktionsstoffe lassen sich die Eigenschaften feinjustieren und an die jeweiligen Anwendungen anpassen. So können sie die Epoxidharze färben, vor Feuer schützen oder dafür sorgen, dass sie sich besser verarbeiten lassen.

Pflanzenölepoxide mit naturbasierten Additiven

Doch lassen sich solche Epoxidharze auch auf ökologische Weise herstellen? Einen neuartigen Ansatzpunkt gibt es bereits: die Pflanzenölepoxide, also die ökologische Variante der herkömmlichen Epoxidharze. Basis bilden Pflanzenöle, die einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren haben. Diese Fettsäuren werden epoxidiert, also mit einem Drei-Ring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom versehen. Kombiniert man diese Pflanzenölepoxide mit entsprechenden Härtern, entstehen hochbelastbare Kunststoffe. Nachhaltige Klebstoffe, Lacke oder auch Schaumharze rücken somit in den Bereich des Möglichen. Doch die chemische Zusammensetzung von natürlichen Rohstoffen kann stark schwanken, schließlich werden sie aus der Saat von Ölpflanzen extrahiert. Dies stellt Produzenten vor große Herausforderungen.

Ökologische Klebstoffe mit optimalen Eigenschaften

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS nehmen die Eigenschaften solcher neu entwickelter biogener Harze daher genau unter die Lupe. »Wir untersuchen die Harze von der Mikro- bis zur Makroebene«, bestätigt Andreas Krombholz, Gruppenleiter am IMWS. Wie wirken sich die variierenden Inhaltsstoffe auf die Harze aus? Ist dieser erste Schritt getan, optimiert das IMWS-Team die Harze und passt sie an die Verarbeitungsverfahren an.

Zudem entwickeln die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler aus den Pflanzenölepoxiden neuartige Klebstoffe. So sind alle diese Klebstoffformulierungen aus den Fraunhofer-Laboren vollkommen frei von Lösungsmitteln. Weiterhin widmen sich die Forschenden der Frage: Welche Füll- und Funktionsstoffe bieten welchen Nutzen? Ein solcher wäre beispielsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit: Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung lässt sich die Klebschicht von innen heraus aufheizen – und härtet somit schnell und gezielt aus. Oder aber man bringt modifiziertes Thymianöl in den Kleber ein. So erhält er eine antibakterielle Wirkung.

Epoxidierung auf Enzyme umgestellt

Der biobasierte Anteil der aus den Pflanzenölepoxiden gefertigten Klebstoffen liegt mittlerweile bei 86 Prozent, weil die Materialien viel Pflanzenöl enthalten und auch die bisher erdölbasierten Härterchemikalien gegen biobasierte Substanzen ausgetauscht wurden. Zum Vergleich: Bereits ab einem biobasierten Anteil von 35 Prozent gilt ein Material als nachhaltig. »Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben wir die Epoxidierung erstmalig auf Enzyme umgestellt, wir können die Pflanzenöle also ohne Erdöl-basierende Chemikalien mit diesem Verfahren behandeln. Und da dies via Enzymen bei 40 Grad Celsius vonstatten geht statt bei über 100 Grad Celsius wie bisher, sparen wir zudem Energie«, erläutert Krombholz. Doch damit nicht genug: Bisher verwendete die Industrie Leinöl aus Kanada für die Pflanzenölepoxide – was schon allein im Hinblick auf die Lieferwege nicht ökologisch ist. Der Wissenschaftler und sein Team haben den Prozess daher von Leinöl auf Drachenkopföl umgestellt, das in Deutschland ökologisch hergestellt wird. Das verbessert zusätzlich die Umweltbilanz. Und den Härter, bislang ein hochgiftiges Produkt, haben die Expertinnen und Experten durch eine ökologische Variante ersetzt.

Externer Link: www.fraunhofer.de