Zellatmung mit fatalen Folgen

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Presseinformation der LMU München vom 21.05.2013

Fehler im Erbmolekül DNA können dem ganzen Organismus gefährlich werden und schwere Erkrankungen wie Krebs nach sich ziehen. LMU-Wissenschaftler konnten nun zeigen, wie die zelluläre Atmung Fehlpaarungen bei DNA-Bausteinen verursacht.

In der DNA ist der Bau- und Funktionsplan jeder höheren Zelle durch die vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin kodiert. Fehler in der Abfolge dieser Bausteine führen zu zellulären Fehlfunktionen bis hin zur unkontrollierten Zellteilung und der Entstehung von Krebs. Ausgelöst werden derartige Mutationen unter anderem durch die Zellatmung, bei der eingeatmeter Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Dabei entstehen als Zwischenprodukte sehr reaktive Sauerstoffteilchen, die die DNA angreifen. Besonders empfindlich für derartige Attacken sind die Basen Guanin (G) und Adenin (A).

„Reaktive Sauerstoffspezies verursachen zwei unterschiedliche DNA-Schäden, die man 8-oxo-G und FaPy-G nennt“, sagt Professor Thomas Carell vom Department Chemie der LMU. Bereits 2004 klärte Carell mit seinem Team den Mechanismus auf, wie 8-oxo-G Mutationen auslöst. Über FaPy-G war allerdings nur wenig bekannt – bis jetzt: In einer neuen Studie zeigen Carell und seine Mitarbeiter, wie FaPY-G zu Fehlpaarungen in der DNA führt.

Gefährlicher Partnertausch

Guanin bildet in der DNA normalweise mit Cytosin (C) ein Basenpaar (G:C). Wird das Guanin durch die reaktiven Sauerstoffteilchen geschädigt, ergibt sich demnach zunächst ein FaPy-G:C Basenpaar. „Wir konnten nun zeigen, dass das FaPy-G während der Zellteilung auch mit Adenin eine Verbindung eingeht, sodass FaPy-G:A Basenpaare entstehen. Dieser Partnertausch ist ungewöhnlich, weil Adenin normalerweise nicht mit Guanin gepaart ist“, sagt Carell.

Später wird FaPy-G allerdings im Rahmen von DNA Reparaturprozessen als Schaden erkannt und aus der DNA entfernt. Die entstehende Lücke wird dann durch Reparaturenzyme mit Thymin (T) aufgefüllt, dem normalen Partner von Adenin – so verwandelt der Schaden das ursprüngliche G:C Basenpaar am Ende in ein A:T Basenpaar, führt also zu einer falschen Basenabfolge.

Möglich ist dieser Mechanismus, weil die Natur zur Überraschung der Wissenschaftler offenbar große Probleme hat, bei der Zellteilung ein gesundes Guanin von einer kranken FaPy-G Base zu unterscheiden. „Dass dann auch noch eine Fehlpaarung mit Adenin gebildet wird, ist ein wesentlicher Grund für die spontane Entstehung von Tumoren“, sagt Carell, „mit jedem Atemzug erhöhen wir die Tumorgefahr um ein klitzekleines bisschen“. Ein Einblick in die Mechanismen, mit denen FaPy-G zellulären Reparaturmechanismen entkommt, könnte zukünftig aber auch helfen, Tumore zu bekämpfen, denn die Hemmung von Reparaturprozessen kann die Effizienz und Wirksamkeit von Chemotherapeutika steigern.

Die Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des SFB 646 und des SFB 749 sowie des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) gefördert. göd

Publikation:
Nature Chemical Biology 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Wie man einen Nano-Schnurrbart wachsen lässt

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Pressemeldung der Universität Wien vom 16.05.2013

Nanotechnologie basiert auf der Herstellung von erstaunlich kleinen Materialstrukturen, den Nano-Strukturen. Physikern an der Universität Wien ist es nun gelungen, eine einzigartige Nano-Struktur aus Kohlenstoff zu züchten, die einem winzigen gezwirbelten Schnurrbart ähnelt. Ihre Methode könnte wegweisend für die Bildung komplexerer Nano-Netzwerke sein. Die Forscher der Gruppe “Elektronische Materialeigenschaften” an der Fakultät für Physik und ihre internationalen KollegInnen veröffentlichten ihre Ergebnisse im neuen Open Access Journal des renommierten Verlagshauses Nature: Scientific Reports.

Nano-Materialien weisen einzigartige Eigenschaften auf, die nur dann zur Geltung kommen, wenn die Materialstrukturen winzig klein, d.h. auf der Nano-Skala, sind. Um sich diese besonderen Eigenschaften wie z.B. spezielle Quanteneffekte zunutze zu machen, ist es wichtig, vordefinierte Nano-Strukturen gezielt herzustellen und erklären zu können, wieso diese eine bestimmte Form annehmen. WissenschafterInnen wollen daher genau verstehen, wie man das Wachstum von Nano-Materialien auslösen und steuern kann und verfolgen verschiedene Strategien, um Nano-Strukturen zu entwickeln und deren Wachstum zu kontrollieren. Im großen Vorbild Natur wachsen viele organische Formen bilateral, das heißt symmetrisch in zwei unterschiedliche Richtungen.

Einem internationalen Forscherteam von der Universität Wien, der Universität Surrey (UK) und des IFW Dresden (Deutschland) gelang nun unter Anwendung einer neuartigen Methode die bilaterale Züchtung von anorganischen Nano-Materialien in einer kontrollierten Umgebung.

Die Bedeutung von Nano-Schnurrbärten

Die WissenschafterInnen setzten ein Gas mit Kohlenstoff- und Eisen-Atomen bei hohen Temperaturen solange unter Druck, bis sie beobachteten, wie ganz spontan zwei Arme aus Kohlenstoff-Atomen von einem Eisenkern ausgehend zu wachsen begannen. Bei ausreichend kleinen Eisenkernen fingen die Kohlenstoff-Arme an, sich an ihren Enden spiralförmig einzudrehen, sodass die ganze Nano-Struktur eine verblüffende Ähnlichkeit mit einem gezwirbelten Schnurrbart aufweist. “Die ermutigenden Erkenntnisse aus unseren Experimenten bieten einen sehr guten Ausgangspunkt für die kontrollierte Herstellung von außergewöhnlichen neuen Materialien mit vordefinierten Nano-Strukturen”, betont Hidetsugu Shiozawa, Erstautor der Publikation und Forscher an der Fakultät für Physik der Universität Wien.

Nützliche “Fehler”

Um mehr über den internen Aufbau der Nano-Schnurrbärte herauszufinden, schnitten die ForscherInnen ihr Nano-Material in extrem dünne Scheiben und benützten ein spezielles Mikroskop – ein Transmissionselektronenmikroskop –, das ihnen einen genaueren Blick in die Scheiben ermöglichte. Wenn sich Nano-Strukturen ausbilden, entstehen strukturelle Fehlstellen im Material, die etwas über ihren Wachstumsprozess verraten. Die Art und Weise, wie die strukturellen Fehlstellen im beobachteten Fischgrätmuster der aufgeschnittenen Nano-Schnurrbärte verteilt waren, erlaubte den WissenschafterInnen einen Blick in die Vergangenheit und lieferte weitere Informationen über die Bildung des Nano-Materials. Für künftige Anwendungen ist es wichtig, diese Erkenntnisse auf das Wachstum von Nano-Strukturen in zwei oder drei Dimensionen zu übertragen, um so regelmäßige Muster und Netzwerke auf der Nano-Skala herzustellen.

Die WissenschafterInnen haben es sich deshalb zum Ziel gesetzt, noch mehr über den Mechanismus zu erfahren, der hinter der Ausformung der Nano-Schnurrbärte steckt und wollen in künftigen Forschungsprojekten mehrdimensionale und noch komplexere Nano-Strukturen züchten.

Wissenschaftliche Publikation:
“Microscopic insight into the bilateral formation of carbon spirals from a symmetric iron core”:
Hidetsugu Shiozawa, Alicja Bachmatiuk, Andreas Stangl, David C. Cox, S. Ravi P. Silva, Mark H. Rümmeli & Thomas Pichler
Scientific Reports 3, Article number: 1840
doi:10.1038/srep01840
Veröffentlicht am 14. Mai 2013

Externer Link: www.univie.ac.at

So viel atmet eine einzelne Zelle

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 07.05.2013

Angewandte Chemie: Elektrochemische Rastermikroskopie entscheidend optimiert

RUB-Forscher messen Sauerstoffverbrauch individueller Zellen

Wie aktiv eine lebende Zelle ist, lässt sich anhand ihres Sauerstoffverbrauchs ablesen. Die Methode, mit der man diesen Verbrauch bestimmt, haben Bochumer Chemiker nun entscheidend weiter entwickelt. Problematisch war bislang, dass die Messelektrode den Sauerstoffumsatz in der Umgebung der Zelle wesentlich stärker veränderte als die Zelle selbst. „Das haben wir schon vor 12 Jahren festgestellt“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Lehrstuhl für Analytische Chemie der Ruhr-Universität „Nun ist es uns endlich gelungen, die Messelektrode zum Beobachter zu machen.“ Gemeinsam mit seinem Team berichtet er in der „International Edition“ der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.

Messelektroden präzise positionieren

Zellen brauchen Sauerstoff für verschiedene Stoffwechselvorgänge, etwa um Glukose abzubauen. Um den Verbrauch zu messen, müssen Forscher sehr kleine Signale in einem großen Hintergrundrauschen detektieren. Sie nutzen dazu die elektrochemische Rastermikroskopie, für die sie Elektroden mit einem Durchmesser von fünf Mikrometer in einem Abstand von 200 Nanometer von der Zelle platzieren müssen. Dafür hat das RUB-Team im Lauf der letzten Jahre ein spezielles Verfahren entwickelt, mit dem sich der Abstand der Elektrode zur Zelle präzise kontrollieren lässt.

Den Zellen mit Mikroelektroden Konkurrenz machen

Mit der Elektrode erzeugen die Forscher zunächst Sauerstoff in der wässrigen Umgebung der Zelle; dann messen sie, wie viel die Zelle davon verwertet. Zu diesem Zweck legen sie zu Beginn ein bestimmtes Potenzial an der Elektrode an. Dieses bewirkt, dass dem Wasser in der Zellumgebung Elektronen entzogen werden; es entsteht Sauerstoff. Den Sauerstoff kann die Zelle für ihren Stoffwechsel nutzen; gleichzeitig machen die Forscher ihr aber mit der Mikroelektrode Konkurrenz. Sie ändern das Potenzial an der Elektrode so, dass sich die Reaktion umkehrt: Sauerstoff wird nun zu Wasser umgesetzt. Die dabei fließenden Elektronen messen die Wissenschaftler mit der Elektrode und erhalten so ein Maß für den Sauerstoffverbrauch in der lokalen Umgebung. Je mehr Sauerstoff die Zelle für ihren Stoffwechsel verbraucht, desto weniger Sauerstoff bleibt für die stromerzeugende Reaktion an der Elektrode. Je geringer also der gemessene Stromfluss, desto stärker die Aktivität der Zelle. Bei diesem Verfahren spricht man vom Redoxkompetitionsmodus.

Schnelle Messung

Bei den bisher eingesetzten Verfahren war der durch die Elektrode erzeugte Sauerstoffverbrauch wesentlich größer als der Verbrauch der Zelle. „Die Messung selbst hat die Sauerstoffkonzentration lokal also stärker verändert als der Zellstoffwechsel“, erklärt Prof. Schuhmann. Entscheidend war es, die Aktivität der Zelle sehr schnell, nachdem der Sauerstoff an der Mikroelektrode erzeugt worden war, zu messen – nämlich nach 20 Millisekunden. Wartet man länger, so entzieht die Elektrode der Zelle Sauerstoff, anstatt den Sauerstoff aus der Umgebung zu verwenden, den die Forscher zuvor künstlich erzeugten. Drei Faktoren waren also maßgeblich für den Erfolg der Bochumer Methode: die sehr genaue Position der Elektroden, der Redoxkompetitionsmodus und die schnelle Messzeit. (Julia Weiler)

Titelaufnahme:
M. Nebel, S. Grützke, N. Diab, A. Schulte, W. Schuhmann (2013): Visualization of oxygen consumption of single living cells by scanning electrochemical microscopy: the influence of the faradaic tip reaction, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201301098

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Mit Rohrkolben dämmen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2013

Immer mehr Hauseigentümer dämmen ihre Wände, um Energiekosten zu senken. Häufig entscheiden sie sich für die billige Variante Polystyrol. Doch es gibt umweltfreundliche Alternativen: So eignet sich Rohrkolben hervorragend als natürliches Isoliermaterial.

Rohrkolben wird schon seit langem für verschiedene Zwecke verwendet, wie zur Reinigung von Abwässern in Kläranlagen, zum Entgiften von Böden, als Rohstoff für handwerkliche Flechtarbeiten, als Nahrungsmittel oder in der traditionellen Medizin als Heilpflanze bei verschiedenen Erkrankungen. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP in Valley wollen das Material aus der Natur jetzt als Baustoff nutzen – etwa zum Dämmen von Außenwänden oder als Putzträger. Dr. Martin Krus, Prüfstellenleiter am IBP, bescheinigt dem nachwachsenden Rohstoff zahlreiche positive, für den Bau relevante Eigenschaften: »Rohrkolben ist als Sumpfpflanze von Natur aus schimmelresistent und bestens gegen Feuchtigkeit gerüstet. Die Blätter der Pflanze haben ein faserverstärktes Stützgewebe, das mit einem weichen Schwammgewebe ausgefüllt ist. Durch diesen speziellen Aufbau sind sie außerordentlich stabil und besitzen eine gute Dämmwirkung. Die bleibt auch in den fertigen Produkten erhalten.« Ein solches Produkt hat der Forscher bereits parat. In enger Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner typha technik Naturbaustoffe entwickelte er eine magnesitgebundene Dämmplatte aus Typha (lateinisch für Rohrkolben), die bereits zum Patent angemeldet ist. Die Platte verfügt über eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,052 W/mK (Watt pro Meter und Kelvin). Sie bietet einen guten Brand-, Schall- und Wärmeschutz und ist relativ diffusionsoffen, aber ausreichend dicht, um bei den meisten Anwendungen auf eine Dampfbremse verzichten zu können. Vor allem ist das Material in Richtung der Plattenebene mit hohen Drücken belastbar. Die guten Werte der Typha-Platte konnten der Forscher und sein Team nach eineinhalbjährigen Messungen in einem Nürnberger Fachwerkhaus bestätigen. Dessen Außenwände und auch das Fachwerk waren mit Typha saniert worden. »Die Handwerker vor Ort waren von dem nachhaltigen Material begeistert«, sagt Krus.

Niedermoore durch Typha-Anbau regenerieren

Doch trotz der zahlreichen Vorzüge von Typha wird der Baustoff aus der Natur bislang noch nicht im größeren Stil verbaut und industriell verwertet. »Rohrkolben wächst in großen Beständen vor allem in Osteuropa, vornehmlich in Rumänien und Ungarn. Hierzulande wird die Feuchtgebietspflanze nicht kultiviert, sie müsste also extra importiert werden«, schildert der Ingenieur einen wesentlichen Hinderungsgrund. Dabei gäbe es in Deutschland geeignete Anbauflächen. Beispielsweise ließen sich trockengelegte Niedermoore, die jahrzehntelang landwirtschaftlich genutzt wurden, durch den Anbau von Typha regenerieren. Dass dies möglich ist, wurde bereits in dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt »Rohrkolbenanbau in Niedermooren« unter Leitung des Lehrstuhls für Landschaftsökologie der TU München gezeigt. »Entwässerte Niedermoore sind eine Quelle von CO2-Emissionen. Durch das Trockenlegen werden in Deutschländ jährlich bis zu 40 Millionen Tonnen Kohlendioxid freigesetzt«, weiß Krus. Zum Vergleich: Der Pkw-Verkehr in Deutschland verursacht jährlich 105 Millionen Tonnen CO2. Durch den Rohrkolbenanbau könnte dieser Prozess gestoppt werden. Der Torfschwund wird reduziert und viele der Nährstoffe bleiben im Boden. Zugleich bieten Rohrkolbenflächen Lebensraum für seltene Tiere und Pflanzen. »Der Anbau von Typha trägt also auch zum Umweltschutz bei«, sagt der Forscher.

Einem hohen Rohstoffertrag tut das keinen Abbruch, da Rohrkolben sehr schnellwüchsig ist. Dem geernteten Typha räumt Krus gute Absatzchancen ein. »Die Pflanze lässt sich leicht verarbeiten«, betont der Forscher. Die Blätter werden längs in stabförmige Partikel aufgetrennt und anschließend auf die richtige Länge von rund sieben Zentimeter gekürzt. Anschließend werden sie in einer Trommel mit einem umweltfreundlichen mineralischen Kleber eingesprüht und in eine beheizte Presse gebracht. Derzeit erfolgt dieser Vorgang noch manuell. Einen Hersteller, der die Platte in Serie herstellt, haben der Experte und seine Kollegen noch nicht gefunden. »Dabei wäre die Typha-Platte äußerst konkurrenzfähig, wenn man sie in einem rationellen Verfahren herstellen würde«, ist der Wissenschaftler überzeugt.

Aufgrund der vielen positiven technischen Eigenschaften und der vollständigen Rückführbarkeit in den Stoffkreislauf sind die Einsatzmöglichkeiten von Typha vielfältig. Wegen der hohen Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht kann das Material für  Dachkonstruktionen oder als Leichtbausandwichelement für Fußböden und Zwischendecken verwendet werden. Auch Türblätter, Fenster- und Türstürze lassen sich damit gestalten, ebenso ist der Ersatz von Holzbalken möglich. Selbst die Putzarmierung mit Samenschirmchen haben die IBP-Forscher realisiert, indem sie Samenschirmchen der Rohrkolbenpflanze in Lehmputz vermischten, um so die Bildung von Rissen zu vermeiden. »Im Prinzip kann man ein komplettes Gebäude aus Typha bauen, sieht man mal von den Rohren, Fenstern und der Eindeckung ab«, sagt Krus.

Externer Link: www.fraunhofer.de