Ribosomen-Recycling als Angriffsziel

Presseinformation der LMU München vom 05.12.2016

LMU-Wissenschaftler haben einen Reparaturmechanismus für bakterielle Ribosomen aufgeklärt, der ein wichtiger Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Antibiotika sein könnte.

Multiresistente Bakterien, gegen die herkömmliche Antibiotika keine Wirkung mehr zeigen, sind in der Medizin ein großes Problem. Die Entwicklung neuer Medikamente ist deshalb dringend erforderlich. „Viele gängige Antibiotika hemmen die Proteinsynthese in den bakteriellen Ribosomen“, sagt der LMU-Biochemiker Daniel Wilson. „Derzeit wird nach Wirkstoffen gesucht, die sich gegen andere lebenswichtige Prozesse der Bakterien richten“. Zu diesen Prozessen gehört das sogenannte Ribosomen-Recycling, dessen Mechanismen Wilson mit seinem Team nun untersucht hat. Die Ergebnisse liefern vielversprechende Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Antibiotika. Über ihre Studie berichten die Forscher im Fachmagazin Nature.

In den Ribosomen wird die im Botenmolekül mRNA gespeicherte Information abgelesen und in Proteine übersetzt. Ist das Botenmolekül fehlerhaft, bleibt es im Ribosom stecken und blockiert dieses. Um die lebenswichtigen Ribosomen wieder funktionsfähig zu machen, besitzen Zellen deshalb verschiedene Recyclingsysteme. Mithilfe von kryo-elektronenmikroskopischen Strukturanalysen ist es Wilsons Team nun erstmals gelungen, die Funktion des bakteriellen Recyclingfaktors ArfA aufzuklären. Wie die Wissenschaftler zeigen, rekrutiert ArfA in Gegenwart eines defekten Botenmoleküls einen sogenannten Terminationsfaktor, welcher das unvollständige Protein aus dem Ribosom entfernt. Daraufhin können sich die beiden Untereinheiten des Ribosoms auf konventionelle Weise trennen und für weitere Proteinsynthesen rekrutiert werden.

„Unsere Ergebnisse können zur Entwicklung neuer Antibiotika beitragen, die das ArfA-gesteuerte Recycling unterbinden“, sagt Wilson. Da das Ribosomen-Recycling in Menschen durch andere, mit ArfA nicht verwandte Faktoren gesteuert wird, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass solche Inhibitoren spezifisch auf Bakterien wirken und diese abtöten könnten.

Publikation:
Nature 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

technologiewerte.de – MOOCblick Dezember 2016

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:

The Value of Business Models
Harry Bouwman (TU Delft) et al.
Start: 13.12.2016 / Arbeitsaufwand: 12-24 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Wie Grundschüler von Tablet-Lernangeboten profitieren können

Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 24.11.2016

Studie der Tübinger Bildungsforschung: Der Einsatz von Tablet-Programmen sollte auf Lernziele und die Voraussetzungen der Nutzer zugeschnitten sein

Grundschüler profitieren von Tablet-Lernangeboten im Unterricht – aber nur, wenn diese an die jeweiligen Lernziele sowie die kognitiven Fähigkeiten des einzelnen Kindes angepasst sind. Zu diesem Schluss kommen Tübinger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Hector-Instituts für Empirische Bildungsforschung und des Leibniz-Instituts für Wissensmedien in einer Studie. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Learning and Individual Differences“ veröffentlicht.

Tablet-Computer lassen sich intuitiv durch Bildschirmberührung und Steuergesten bedienen. Auch jüngeren Kindern ist so prinzipiell der Zugang zu komplexen computerbasierten Lernangeboten möglich. Aber können sie derartige Angebote schon sinnvoll nutzen? Und führen komplexe Tablet-Apps für Grundschüler im Vergleich zu einfacheren Angeboten auch zu einem erhöhten Lernerfolg? Um dies zu beantworten, verglichen die Tübinger Forscher zwei verschiedene Tablet-Lernanwendungen und untersuchten, ob Kinder mit sogenannten Hypermedien ‒ das sind vernetzte Dokumente, die mit anderen Medien wie Grafik, Ton oder Video elektronisch verlinkt sind ‒ vertiefter lernen als mit einfacher strukturierten Tablet-Angeboten wie einem multimedialen E-Book zum Durchblättern.

Ihr Fazit: Das Lernen mit Hypermedien hat Vorteile für das mehrperspektivische Denken, also die Fähigkeit, ein Problem aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten. Dies funktioniert aber nur, wenn Schülerinnen und Schüler über ein hinreichend leistungsfähiges Arbeitsgedächtnis verfügen. Beim Faktenwissen schnitt die „einfache“ Lernumgebung eines E-Books besser ab.

Für die Studie entwickelten die Wissenschaftler zwei Arten von Lernmaterialien für Tablets, mit deren Hilfe sich Kinder Wissen über das Thema Biodiversität von Fischen aneignen sollten. Fast 200 Viertklässler aus Baden-Württemberg sollten sich in die Rolle eines Aquariummitarbeiters versetzen und mit zwei Dutzend verschiedenen Fischarten beschäftigen. Mit Hilfe von Tablets bewältigten sie konkrete Aufgaben zu verschiedenen Themenbereichen: Welches Futter brauchen einzelne Fischarten? In welchem Gewässer sind sie zuhause? Leben sie als Einzelgänger oder im Schwarm? Die Aufgaben waren so gestellt, dass die Kinder insgesamt sechs solcher thematischen Perspektiven einnehmen und miteinander in Beziehung setzen mussten. Damit sollte über reines Faktenlernen hinaus auch mehrperspektivisches Denken geschult werden, das für komplexe Problemstellungen wichtig ist.

Die Kinder der einen Gruppe erhielten ein hypermediales Tablet-Lernangebot. Als Ausgangspunkt wurden alle Fischarten in einer alphabetischen Anordnung abgebildet. Wenn die Kinder eine der Abbildungen auf dem Bildschirm berührten, erhielten sie zusätzlich einen Text und ein Video mit Informationen zur jeweiligen Fischart. Außerdem gab es sechs Schaltflächen, mit denen die Kinder die Fische automatisch thematisch umsortieren konnten, zum Beispiel im Hinblick auf Essgewohnheiten, Lebensraum oder Sozialverhalten. Die Kinder der zweiten Gruppe wurden nicht durch diesen hypermedialen Perspektivenwechsel unterstützt. Sie nutzten auf dem Tablet ein multimediales E-Book zum Durchblättern. Dies enthielt zwar die gleichen Informationen zu den verschiedenen thematischen Perspektiven, die Informationen wurden aber in der Reihenfolge vorgegeben, wie sie zum Lösen der Aufgaben gebraucht wurden.

Gemessen wurde, wie gut Kinder die einzelnen Aufgaben mit dem Tablet bearbeiteten und wie gut sie sich später an die dafür relevanten Fakten erinnern konnten. Außerdem wurde erfasst, wie gut sie das am Fisch-Beispiel erlernte mehrperspektivische Denken auch auf neue Problemsituationen in anderen Bereichen anwenden konnten. Schließlich wurde erhoben, wie gut ihr Arbeitsgedächtnis in Bezug auf Sprache, Zahlen und visuelle Informationen funktionierte. Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die Schüler sich Fakten besser merken konnten, wenn diese in der einfachen E-Book-Version präsentiert wurden. Das vertiefte Lernen im Sinne eines späteren mehrperspektivischen Denkens bei einer Transferaufgabe wurde aber besser mit dem komplexen hypermedialen Tablet-Lernangebot geschult. Dieser Vorteil fiel umso größer aus, je besser das Arbeitsgedächtnis der Kinder funktionierte. Nur für Kinder mit einer unterdurchschnittlichen Arbeitsgedächtniskapazität konnte kein Vorteil der Hypermedia-App gefunden werden.

„Das heißt nun aber nicht, dass hypermediale Tablet-Anwendungen leichtfertig im Unterricht  eingesetzt werden sollten“, erklärt Peter Gerjets vom Leibniz-Institut für Wissensmedien. Vielmehr kommt es immer darauf an, welches Lernziel man verfolgt und welche kognitiven Voraussetzungen die Schüler mitbringen. „Für Kinder, die über eine hohe Kapazität des Arbeitsgedächtnisses verfügen, scheinen Hypermedia-Apps jedoch potenziell nützlich zu sein, um vertiefte Lernprozesse anzuregen.“

Publikation:
Kornmann, J.,  Kammerer, Y., Zettler, I., Trautwein, U. & Gerjets, P. (2016). Hypermedia exploration stimulates multiperspective reasoning in elementary school children with high working memory capacity: A tablet computer study. Learning and Individual Differences, 51, 273-283.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Warum Reibung von der Zahl der Schichten abhängt

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.11.2016

Simulationen liefern neue Erkenntnisse über die Friktionseigenschaften von Graphen – Publikation in Nature

Die Reibungseigenschaften des zweidimensionalen Kohlenstoffs Graphen haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie in China und den USA anhand von Simulationen untersucht. Bei Kontakt mit einschichtigem Graphen ist die Reibung stärker als bei mehrschichtigem Graphen oder Graphit. Zudem steigt die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten. Dies erklären die Forscher mit der echten Kontaktfläche sowie der sich entwickelnden Kontaktqualität. Sie berichten in der Zeitschrift Nature. (DOI: 10.1038/nature20135)

Wenn Grenzflächen von Festkörpern sich berühren und gegeneinander bewegen, tritt Reibung auf. Energie wird dabei in Wärme umgewandelt, die ungenutzt verloren geht. Außerdem kommt es durch Reibung zu Abrieb und Verschleiß. Um die Reibung bei metallischen Gleitelementen und hohen Kontaktdrücken zu vermindern, beispielsweise in Automobilen oder Industriemaschinen, werden als Festschmierstoffe häufig Stoffe mit lamellarer Struktur eingesetzt, deren Partikel leicht aufeinander gleiten.

Einer der gängigsten Festschmierstoffe ist Graphit, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit dreidimensionaler, geschichteter Struktur. Graphit besteht theoretisch aus mehreren, leicht versetzt übereinandergelegten Schichten von Graphen. Bei Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur: Es besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken wie Bienenwaben angeordnet sind. Graphen kommt in der Natur als isoliertes einschichtiges Material nicht vor, lässt sich aber über verschiedene Verfahren herstellen.

Experimente haben gezeigt, dass bei Kontakt mit einschichtigem Graphen eine stärkere Reibung auftritt als bei mehrschichtigem Graphen oder bei Graphit und dass die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Die Gründe dafür waren bisher nicht geklärt. Wissenschaftler am Institut für Angewandte Materialien (IAM) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT haben nun gemeinsam mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, der Xi’an Jiaotong University/China, der Tsinghua University in Beijing/China, dem Massachusetts Institute of Technology/USA und der University of Pennsylvania/USA die Experimente in atomistischen Simulationen reproduziert und sind dabei zu neuen Erkenntnissen über die schichtenabhängige Reibung und den Anstieg der Reibungskraft bei Graphen gelangt. Die Ergebnisse stellen die Forscher in der Zeitschrift Nature vor.

Bei den Simulationen ließen die Wissenschaftler eine Siliziumspitze über Graphen gleiten, das auf einem amorphen, das heißt nicht kristallinen Siliziumsubstrat aufgebracht war. Bisherige Arbeiten hatten angenommen, dass die Reibung zwischen Grenzflächen von der echten Kontaktfläche abhängt – der Zahl der Atome in dem Bereich, in dem interatomare Kräfte wirken –, und hatten die stärkere Reibung bei einschichtigem Graphen auf die größere echte Kontaktfläche zurückgeführt. Wie die Wissenschaftler des KIT und ihre Kollegen nun feststellten, spielt nicht nur die echte Kontaktfläche eine Rolle, sondern auch die sich entwickelnde Kontaktqualität.

Das dünnere und weniger fest gefügte einschichtige Graphen tendiert aufgrund seiner größeren Flexibilität dazu, seine Konfiguration immer neu einzustellen. So haften die Kohlenstoffatome stärker an den Atomen der Siliziumspitze und zeigen eine größere Synchronizität in ihrem Haft-Gleit-Verhalten. Die Kontakte auf der atomaren Skala nehmen quantitativ – was die Fläche betrifft – und qualitativ – was die Reibungskraft betrifft – zu. „Mit unserem Konzept der sich entwickelnden Kontaktqualität lässt sich erklären, warum sich die Reibung bei Grenzflächen mit lockerer Struktur über die Zeit verändert“, erklärt Dr. Suzhi Li vom IAM – Computational Materials Science des KIT. (or)

Publikation:
Suzhi Li, Qunyang Li, Robert W. Carpick, Peter Gumbsch, Xin Z. Liu, Xiangdong Ding, Jun Sun & Ju Li: The evolving quality of frictional contact with graphene. Nature, 2016. DOI: 10.1038/nature20135

Externer Link: www.kit.edu