Archiv für den Monat: Januar 2009

Schmarotzer im Genom

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 29.01.2009

Die Struktur eines Proteins hilft zu verstehen, wie sich parasitäre Gene im Erbgut vermehren

In unserem Betriebssystem haben sich Schmarotzer breit gemacht: Zu gut einem Viertel besteht unser Erbgut aus parasitären Genen. Wie sich eines dieser Gene im Erbgut einnistet, könnte die Struktur eines Proteins erklären, die Forscher am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen jetzt bestimmt haben. Der Bauplan für dieses Protein findet sich auf dem parasitären Gen, das Biologen LINE-1-Retrotransposon, kurz LINE-1, nennen. Anhand der Proteinstruktur haben die Wissenschaftler auch gezeigt, dass LINE-1 nicht so eng mit Retroviren wie etwa dem HI-Virus verwandt sind wie bisher angenommen. Setzen sich die Schmarotzer-Gene an der falschen Stelle fest, lösen sie Krankheiten aus. Gelänge es den Biologen aber, das Verhalten des LINE-1 nachzuahmen, könnten sie die Parasiten-Gene vielleicht zu Therapiezwecken einspannen und gezielt Informationen ins Erbgut einschleusen. (PNAS, 20. Januar 2009)

Im Genom von Säugetieren, auch dem des Menschen, hat sich wahllos das parasitäre Gen LINE-1 verbreitet. Gegenwärtig macht es etwa 17 Prozent des menschlichen Erbgutes aus. „Dies ist ein riesiger Anteil, wenn man berücksichtigt, dass unsere etwa 30 000 Proteine von weniger als fünf Prozent der DNA kodiert werden“, erklärt Oliver Weichenrieder, der diese Gene am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie untersucht.

Weichenrieder und seine Mitarbeiterin Elena Khazina helfen nun aufzuklären, wie sich das LINE-1-Retrotransposon ins Erbgut schmuggelt: Sie haben die Struktur eines Proteins namens L1ORF1p ermittelt, dessen Bauplan in dem parasitären Gen enthalten ist. Aus dieser Struktur schließen die Forscher, wie das Protein das LINE-1 Gen bei der Vermehrung unterstützt, denn sie haben in dem Protein einen Bereich entdeckt, der an RNA, die Boten genetischer Information, bindet. Eine solche Region, die Biologen RRM-Domäne nennen, hatten sie in dem Protein nicht erwartet.

„RRM-Domänen, wie wir sie im L1ORF1p-Protein gefunden haben, sind nicht in Viren vorhanden“, erklärt Weichenrieder. „Das grenzt die LINE-1-Retrotransposons deutlich von den Retroviren ab.“ Bislang wurde spekuliert, L1ORF1p sei mit retroviralen Proteinen verwandt.

Die Erkenntnisse sind für Biologen auch deshalb interessant, weil LINE-1 auch anderen parasitären Genen hilft, im Erbgut Platz zu nehmen. „Verstehen wir, wie das geschieht, können wir möglicherweise gezielt Gene einschleusen“, sagt Weichenrieder: „Vielleicht können wir dann sogar Gene präzise aneinander puzzeln – doch das ist bislang nur eine Vision.“

Parasitäre Gene pflanzen sich ständig fort: „Eines von zwanzig Neugeborenen weist eine neue Integration eines solchen Elementes auf“, sagt Weichenrieder: „Es ist kaum vorstellbar, dass die massive Integration von parasitären Genen ohne Auswirkungen auf die Evolution des Menschen blieb. Umso erstaunlicher ist, wie wenig bisher über den Mechanismus und die daran beteiligten Proteine bekannt ist.“ Fast jedes menschliche Gen scheinen die erfolgreichen Schmarotzer schon einmal verändert zu haben. Solche Veränderungen tragen zur Evolution bei, können aber in seltenen Fällen Tumore oder Stoffwechselkrankheiten hervorrufen. Meistens gefährdet es die Gesundheit lebender Menschen jedoch nicht. Wenn tatsächlich einmal ein wichtiges Gen zu stark beschädigt ist, werde ein Mensch gar nicht geboren, führt Weichenrieder aus.

Nun untersuchen die Forscher, wie das LINE-1-Retrotransposon die Zelle einspannt, um sich zu vermehren. Zudem beschäftigt sie die Frage, wie die Zelle verhindert, dass parasitäre Gene überhand nehmen. Bei Pflanzen, Insekten und Fischen sind schon Mechanismen bekannt, die die Vermehrung blockieren. Nun suchen sie nach ähnlichen Mechanismen beim Menschen. (PH/NV)

Originalveröffentlichung:
Elena Khazina, Oliver Weichenrieder
Non-LTR retrotransposons encode noncanonical RRM domains in their first open-reading frame
PNAS, 20. Januar 2009, vol. 106 (3), 731-736, doi: 10.1073/pnas0809964106

Externer Link: www.mpg.de

Kabellos, schnell und robust

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 26.01.2009

Forscher entwickeln Verfahren für höhere Qualität der Datenübertragung

Der drahtlose Internetzugriff über so genannte Wireless Local Area Networks (WLAN) erfreut sich immer größerer Beliebtheit. Die zunehmende Benutzerdichte führt allerdings dazu, dass Daten nicht fehlerfrei auf die Rechner und Laptops der Nutzer übertragen werden, da benachbarte Signale den Empfang stören können. Forscher des Lehrstuhls für Mobilkommunikation (Prof. Dr. Wolfgang Koch) der Universität Erlangen-Nürnberg haben ein Verfahren entwickelt, das die Qualität der kabellosen Signale, d. h. die Robustheit der Daten gegen Störungen, erhöht.

Dazu wird eine kabellose Datenübertragung über Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Systeme eingesetzt, d. h. Sender (Router) und Empfänger (PC) eines WLAN-Systems nutzen jeweils mehrere Antennen zur Datenübertragung. Die MIMO-Technik erlaubt eine gesteigerte Robustheit der Übertragung durch den Einsatz so genannter Beamforming-Techniken am Sender, durch die die Sendesignale gezielt an den aktuellen Übertragungskanal angepasst werden. Dadurch kann die Häufigkeit von Datenverlusten bei der Übertragung, die sich beispielsweise durch eine unvollständig angezeigte Webseite zeigen, reduziert werden. Die Forschergruppe, zu der auch Wissenschaftler der University of British Columbia in Vancouver gehören, konnte neue praxisgerechte MIMO-Übertragungsverfahren zur Steigerung der Robustheit des Systems entwickeln.

„Wir haben die hohe Datenstabilität, die MIMO-Übertragungsverfahren mit Beamforming bieten, mit einem relativ aufwandsarmen, gut zu realisierenden Algorithmus erzielt“, erklärt Dr. Wolfgang Gerstacker vom Lehrstuhl für Mobilkommunikation. Erreicht haben die Forscher dies durch eine Komprimierung der Seiteninformation (Kanalzustandsinformation), die zwischen Empfänger und Sender ausgetauscht werden muss, um das Beamforming an den momentanen Kanal anpassen zu können. Die Komprimierung führt dazu, dass der Overhead der Seiteninformation (eine für die Rückübertragung wichtige Zusatzinformation), der für die eigentliche Datenübertragung verloren geht, deutlich reduziert werden kann. Auch hinsichtlich einer Verzögerung der Seiteninformation aufgrund der Laufzeit der Rückübertragung ist das neue Verfahren sehr robust.

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Wie viel Ruß im Feinstaub ist

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 21.01.2009 

Mit optischen Verfahren in Echtzeit messen
Bochumer Ingenieure gewinnen Transferwettbewerb     

Es liegt was in der Luft – diese Tatsache ist unumstritten, seit es Feinstaubmessungen gibt. Was es aber genau ist, und wie hoch der Anteil schädlichen Rußes im Feinstaub ist, ist weitgehend unbekannt oder lässt sich nur in langwierigen Laboranalysen bestimmen. Bochumer Ingenieure haben unter der Leitung von Prof. Dr. Gustav Schweiger am Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik ein optisches Verfahren zur Bestimmung des Rußanteils im Feinstaub entwickelt. Als einer der Sieger im Wettbewerb „Transfer.NRW:PreSeed“ werden die Forscher mit 180.000 Euro für zunächst zwei Jahre vom Land unterstützt, um auf dieser Basis ein Gerät zu entwickeln, das in Echtzeit nicht nur die Menge des Feinstaubs in der Luft, sondern vor allem auch den Rußanteil messen kann.

Die reine Menge sagt wenig aus
Feinstaub an sich muss nicht unbedingt schädlich sein. Gewöhnlicher Hausstaub, Silikate, Reifen- und Bremsbelagabrieb, Sand und Pollen machen einen erheblichen Anteil aus. Nur ein mehr oder weniger kleiner Teil des Feinstaubs besteht aus Rußpartikeln, die beim Einatmen als besonders gefährlich gelten. Will man also das Gefahrenpotential des Staubs messen, genügt es nicht, seine absolute Menge zu ermitteln, wie herkömmliche Messanlagen es können. Nasschemische Analysen des gesammelten Staubs können jedoch Tage in Anspruch nehmen – die Ergebnisse kommen zu spät, um noch angemessen darauf reagieren zu können.

Optische Messung bringt Ergebnisse in Echtzeit
Die optische Messanlage, die die Bochumer Forscher entwickeln, wird nahezu in Echtzeit Daten sowohl über die Menge des Staubs als auch über die Rußbelastung liefern. So lassen sich zum Beispiel tägliche Belastungsspitzen ermitteln und die Verkehrsführung anhand verlässlicher Daten kurzfristig anpassen. Am Ende der ersten Förderperiode soll ein Prototyp in Betrieb gehen. Eine Ausgründung ist geplant.

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

Schweine als Organspender

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Presseinformation der LMU München vom 21.01.2009

Tierisches Gewebe vor menschlichen Abwehrzellen geschützt 

Die neue Auswertung der Deutschen Stiftung Organtransplantation hat gezeigt, dass immer weniger Menschen im Todesfall ihre Organe spenden. Bundesweit starben im vergangenen Jahr rund tausend der Patienten auf der Warteliste, etwa 12.000 Menschen warten derzeit noch. Eine Möglichkeit, diesen dramatischen Mangel an Spenderorganen zu kompensieren, könnte die Transplantation von tierischen Geweben oder Organen sein. Das Schwein gilt als der am besten geeignete Spenderorganismus, wobei auch hier wie bei jeder Übertragung von Gewebe zwischen verschiedenen Arten komplexe Abstoßungsmechanismen überwunden werden müssen. Ein internationales Team um Professor Elisabeth Weiss vom Biozentrum und Professor Eckhard Wolf vom Genzentrum der LMU hat nun genetisch veränderte Schweine erzeugt, deren Zellen erstmals vor der Zerstörung durch menschliche natürliche Killerzellen, das sind wichtige Immunfaktoren, geschützt sind. (Januar-Ausgabe Transplantation)

Das Immunsystem des Menschen soll den Organismus vor Eindringlingen schützen. Deshalb wird auch transplantiertes Gewebe meist bis zur vollständigen Zerstörung attackiert. Vor allem nach einer Xenotransplantation, also der Übertragung artfremden Gewebes, kommt es zu einer überschießenden Reaktion der Körperabwehr. In erster Linie sind es die natürlichen Killerzellen, kurz NK-Zellen, die körperfremde oder auch infizierte Zellen schnell und effizient eliminieren.

Weltweit arbeiten mehrere Forschergruppen daran, Schweine durch gezielte Veränderungen im Erbgut als Organspender geeignet zu machen. Ein internationales Team unter der Leitung der LMU-Forscher Elisabeth Weiss und Eckhard Wolf konnten nun genetisch veränderte Schweine erzeugen, deren Zellen vor der Zerstörung durch NK-Zellen geschützt sind. Die Aktivität dieser Immunzellen wird durch Rezeptoren an ihrer Oberfläche gesteuert.

So tragen gesunde körpereigene Zellen sogenannte MHC Klasse-I-Moleküle an ihrer Oberfläche, die wiederum an hemmende Rezeptoren der NK-Zellen binden. Die Folge davon: Eine Aktivierung der Abwehrzellen wird verhindert, die gesunden Körperzellen werden nicht angegriffen. An der Oberfläche von Schweinezellen befinden sich ebenfalls MHC Klasse-I-Moleküle, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekülstruktur aber nicht an die hemmenden menschlichen NK-Rezeptoren binden können – und in Folge davon zerstört werden.

Die genetisch veränderten Schweine tragen an der Oberfläche ihrer Köperzellen aber das menschliche MHC Klasse-I-Molekül HLA-E. „Wir haben diese Zellen zusammen mit aktivierten menschlichen NK-Zellen kultiviert“, berichtet Weiss. „Sie sind zum größten Teil unversehrt geblieben. Normale Schweinezellen werden bei diesem Experiment dagegen fast vollständig zerstört.“ Professor Bruno Reichart, Direktor der Herzchirurgischen Klinik im Klinikum Großhadern und Sprecher der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe „Xenotransplantation“ sieht in diesem Ergebnis einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Transplantation tierischer Organe. (suwe)

Publikation:
„HLA-E/Human Beta2-Microglobulin Transgenic Pigs: Protection Against Xenogeneic Human Anti-Pig Natural Killer Cell Cytotoxicity“,
Elisabeth H. Weiss, Benjamin G. Lilienfeld, Sigrid Müller, Elfriede Müller, Nadja Herbach, Barbara Keßler, Rüdiger Wanke, Reinhard Schwinzer, Jörg D. Seebach, Eckhard Wolf, and Gottfried Brem,
Transplantation, Band 87, Nr. 1, 15. Januar 2009

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Wasserspalter mit Doppelrolle

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 20.01.2009

Mit Sonnenlicht und einem altbekannten Kunststoff lässt sich aus Wasser Wasserstoff produzieren

Wasserstoff ist ein Hoffnungsträger, der Probleme macht. Er ist energiereich, sauber und, in seiner Verbindung mit Wasser, quasi unbegrenzt verfügbar. Bislang aber ist schwer an ihn heranzukommen: Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben jetzt einen Weg gefunden, auf dem sich Wasserstoff einfach und kostengünstig herstellen lässt. Sie gewinnen den Energieträger aus Wasser, indem sie es mit Sonnenlicht bestrahlen und dabei einen Kohlenstoffnitrid als preiswerten Photokatalysator einsetzen. Bislang waren für solche Reaktion immer anorganische Halbleiter in Kombination mit teuren Edelmetallen wie Platin nötig. (Nature Materials, Januar 2009)

Wasserstoff wird als der Energieträger der Zukunft angesehen. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt etwa dreimal soviel Energie wie in einem Kilogramm Erdöl. Zudem entstehen keine Schadstoffe, sondern ausschließlich Wasser, wenn man beispielsweise in Brennstoffzellen Energie aus ihm gewinnt. Wasserstoff kommt auf der Erde jedoch nur in Form von Verbindungen, wie eben Wasser, vor. Um mit ihm Energie zu erzeugen, braucht man Wasserstoff in seiner reinen Form – und zwar bestenfalls mit regenerativen Energiequellen wie etwa Sonnenlicht produziert.

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist jetzt ein Schritt in diese Richtung gelungen – und zwar ausgerechnet mit einem der ältesten künstlichen Polymere, das Chemiker kennen. Sie haben ein Kohlenstoffnitrid, das Justus Liebig schon 1834 erstmals herstellte und Melon nannte, genutzt, um Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe des Sonnenlichtes zu erzeugen. „Das Besondere an Kohlenstoffnitrid ist, dass es in Wasser selbst bei extrem sauren und basischen Bedingungen stabil ist. Außerdem kann es sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden“, erklärt Xinchen Wang, dessen Arbeitsgruppe die Experimente in Zusammenarbeit mit der Universität Tokio und der Fuzhou Universität in China vorgenommen hat.

Das Kohlenstoffnitrid nutzt das Sonnenlicht, um Wasserstoff aus dem Wasser herauszulösen. Eine Substanz, die Chemiker als Opferreagenz bezeichnen, nimmt dabei den Sauerstoff des Wassers auf. Der Clou: Die Potsdamer Chemiker können auf Edelmetalle wie etwa Platin verzichten. In herkömmlichen Prozessen sind diese – neben einem Halbleiter als Antenne für das Sonnenlicht – nötig, um die Wasserstoffproduktion zu katalysieren. Das Kohlenstoffnitrid erledigt nun beide Aufgaben zugleich, und das als besonders stabiler organischer Halbleiter, der sich einfacher herstellen lässt als die üblicherweise verwendeten anorganischen Stoffe.

Aus dem Reaktionsgefäß der Potsdamer Forscher sprudelten allerdings pro Stunde nur vier Mikromol Wasserstoff. „Unsere Ausbeute ist damit zwar nicht so hoch wie in den etablierten Verfahren“, sagt Xinchen Wang: „Aber wir haben gezeigt, dass sich Wasserstoff prinzipiell nur mit einer einzigen organischen Substanz als Hilfsmittel herstellen lässt.“ Wenn die Forscher die üblichen Mengen Platin als Katalysator zusetzten, stieg die Ausbeute deutlich – und zwar um das siebenfache. Damit ist zu den existierenden Verfahren jedoch nicht viel gewonnen, da diese mit ähnlichen Mengen von Edelmetallen als Katalysatoren arbeiten. Deshalb versuchen Wang und seine Mitarbeiter nun, die Effizienz des Kohlenstoffnitrids zu steigern, indem sie dessen aktive Oberfläche vergrößern.

„Für technische Anwendungen wäre es optimal, wenn wir Wasser in einem Schritt in Wasserstoff und elementaren Sauerstoff zerlegen könnten“, erklärt Wang. Dann kämen die Chemiker ohne Opferreagenz aus, das bislang den Sauerstoff aufnimmt. Das hieße aber, sie müssten den Sauerstoff oxidieren, wie es Pflanzen in der Photosynthese können. Auch das sollte mit Kohlenstoffnitrid als einzigem Hilfsmittel möglich sein, wie Berechnungen der Forscher ergeben haben. In Experimenten brauchen sie dafür bislang aber noch einen zusätzlichen Katalysator.

Nun arbeiten die Wissenschaftler um Wang daran, die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einem geeigneten Aufbau zu kombinieren. Gelingt ihnen dies, ist die Wasserspaltung perfekt und Wasserstoff seiner Rolle als wichtiger Energieträger der Zukunft ein Stück näher. (PH/NV)

Originalveröffentlichung:
Xinchen Wang, Kazuhiko Maeda, Arne Thomas, Kazuhiro Takanabe, Gang Xin, Johan M. Carlsson, Kazunari Domen, Markus Antonietti
A metal-free, polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light
Nature Materials, 2009, 8, 76-80

Externer Link: www.mpg.de