Archiv des Monats: Juni 2009

Trinkwasser aus Luftfeuchtigkeit

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juni 2009

Kein Pflänzchen weit und breit – dafür ist es in der Wüste zu trocken. Doch in der Luft ist Wasser enthalten. Forscher haben nun einen Weg gefunden, aus der Luftfeuchtigkeit Trinkwasser zu gewinnen. Das System basiert nur auf regenerativer Energie und ist daher autark.

Risse ziehen sich durch den ausgedörrten Wüstenboden – die karge Landschaft ist geprägt von Wassermangel. Doch selbst dort, wo es an Seen, Flüssen und Grundwasser mangelt, sind in der Luft erhebliche Wassermengen gespeichert: In der Negev-Wüste in Israel beispielsweise beträgt die relative Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel 64 Prozent – in jedem Kubikmeter Luft befinden sich 11,5 Milliliter Wasser.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben gemeinsam mit ihren Kollegen von der Firma Logos Innovationen einen Weg gefunden, diese Luftfeuchtigkeit autark und dezentral in trinkbares Wasser umzuwandeln. »Der Prozess, den wir entwickelt haben, basiert ausschließlich auf regenerativen Energiequellen wie einfachen thermischen Sonnenkollektoren und Photovoltaikzellen, was diese Methode vollständig energieautark macht. Sie funktioniert also auch in Gegenden, in denen es keine elektrische Infrastruktur gibt«, sagt Siegfried Egner, Abteilungsleiter am IGB. Das Prinzip: Hygroskopische Salzsole – also Salzlösung, die Feuchtigkeit aufsaugt – rinnt an einer turmförmigen Anlage hinunter und nimmt Wasser aus der Luft auf. Anschließend wird sie in einen Behälter gepumpt, der in einigen Metern Höhe steht und in dem Vakuum herrscht. Energie aus Sonnenkollektoren erwärmt die Sole, die durch das aufgenommene Wasser verdünnt ist. Der Siedepunkt liegt aufgrund des Vakuums niedriger als bei normalem Luftdruck. Diesen Effekt kennt man aus den Bergen: Da der Luftdruck auf dem Gipfel geringer ist als im Tal, kocht Wasser bereits bei Temperaturen deutlich unter 100 Grad Celsius. Das verdampfte, salzfreie Wasser kondensiert über eine Destillationsbrücke und läuft über ein vollständig gefülltes Rohr kontrolliert nach unten ab, wobei die Schwerkraft dieser Wassersäule kontinuierlich das Vakuum erzeugt – eine Vakuumpumpe ist nicht nötig. Die wieder konzentrierte Salzsole fließt erneut an der Turmoberfläche hinunter, um Luftfeuchtigkeit aufzunehmen.

»Das Konzept eignet sich für verschiedene Größenordnungen: Es sind sowohl Einzelpersonenanlagen denkbar als auch Anlagen, die ganze Hotels mit Wasser versorgen«, sagt Egner. Für beide Komponenten, die Aufnahme der Luftfeuchtigkeit und die Vakuumverdampfung, gibt es Prototypen. In Laborversuchen haben die Forscher das Zusammenspiel der beiden Komponenten bereits getestet. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher eine Demonstrationsanlage entwickeln.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Maßgeschneiderter Knochenersatz

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Pressemitteilung der TU Dresden vom 12.06.2009

Bei ungefähr 15 Prozent aller Operationen am Skelettsystem ist der Einsatz von Knochenersatz notwendig. Körpereigene Knochensubstanz ist allerdings nur begrenzt verfügbar, und zur Entnahme ist ein zusätzlicher chirurgischer Eingriff erforderlich, wodurch Komplikationen entstehen können. Eine vielversprechende Alternative stellen Dresdner Wissenschaftler in den nächsten Tagen auf der Messe TECHTEXTIL in Frankfurt am Main vor. Mithilfe des so genannten „Tissue Engineering“ regen sie die Züchtung von Knochensubstanz auf einer textilen Trägerstruktur, dem so genannten „Scaffold“, an. Auf diesem Scaffold, das in Geometrie und Konfiguration dem zu ersetzenden Knochenstück entspricht, können lebende Zellen kultiviert und vermehrt werden. Mit der am Institut für Textil- und Bekleidungstechnik (ITB) der TU Dresden entwickelten Technologie „Net Shape Nonwoven“ (NSN) wird die Herstellung des benötigten Scaffolds auf direktem Weg möglich. Aus zusammengeklebten kurzen Textilfasern im Mikrometerbereich entsteht eine dreidimensionale Struktur, die steif und zugleich sehr porös ist. Diese bietet beste Voraussetzungen für das Wachstum von Zellen und für die Ausbildung eines funktionierenden Gefäßsystems. Körperähnliche Eigenschaften des erzeugten Knochenstücks werden dadurch kostengünstig und in vergleichsweise kurzer Zeit ermöglicht.

Externer Link: www.tu-dresden.de

Totgesagter Rezeptor erwacht zum Leben

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 09.06.2009

„Chimäre“ lüftet das Geheimnis des schwarzen Schafs der Glutamatrezeptorfamilie
RUB-Forscher berichten in PNAS

Eigentlich gehört der delta2-Rezeptor klar zur Familie der Glutamatrezeptoren, den wichtigsten Rezeptoren für Nervenbotenstoffe in unserem Gehirn. Bislang galt er aber als das „schwarze Schaf“ der Familie, denn er reagiert nicht auf Glutamat – wie es sich für einen Glutamatrezeptor per definitionem gehört. Dieses Rätsel faszinierte Neurowissenschaftler der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Michael Hollmann (Lehrstuhl für Biochemie I – Rezeptorbiochemie). Um dem Rezeptor sein Geheimnis zu entlocken „kreuzten“ sie ihn mit einem anderen, normal funktionierenden Glutamatrezeptor. Ergebnis: Die Chimäre funktioniert normal und öffnet einen Ionenkanal. Jetzt gilt es, den Botenstoff zu finden, der den Mechanismus beim unveränderten delta2-Rezeptor auslöst. Die Forscher berichten über ihre Arbeit in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences, USA (PNAS).

Rege Kommunikation zwischen Gehirnzellen

Unser Gehirn besteht aus einem gigantischen Netzwerk von rund 100 Milliarden Nervenzellen. Jede ist über etwa 10.000 Kontaktstellen mit anderen Nervenzellen vernetzt. Die universelle Sprache in diesem Netzwerk sind elektrische Reize, deren Summe auf noch völlig unverstandene Weise unsere Gedankenwelt entstehen lässt. Die meisten Kontakte zwischen Nervenzellen sind nicht direkt: Einige Millionstel Zentimeter trennen die Zellen. Diese Distanz muss überbrückt werden, soll ein Signal von Senderzelle zur Empfängerzelle gelangen. Dies geschieht an speziellen Kontaktstellen, den so genannten Synapsen, die mit Hilfe eines chemischen Botenstoffes, dem Neurotransmitter, ankommende Signale übertragen. Die erregte Senderzelle schüttet den Botenstoff aus, der daraufhin den Spalt durchquert und von der Empfängerzelle erkannt wird. Hier kommen die Glutamatrezeptoren ins Spiel. Sie sind darauf spezialisiert, den im Gehirn häufigsten Botenstoff Glutamat – den bekannten Geschmacksverstärker in chinesischen Gerichten – im synaptischen Spalt zu registrieren und daraufhin das chemische Signal in ein elektrisches umzuwandeln.

Übersetzer von chemischen in elektrische Signale

Das Geheimnis der Übersetzung von chemischen in elektrische Signale liegt in der Struktur der Rezeptoren. Sie bestehen aus drei wichtigen Teilen: einer Erkennungsstelle für Glutamat, einem Gelenk und einem Kanal. Die zweiklappige Erkennungsstelle an der äußeren Zelloberfläche nimmt Glutamat wahr, bindet es und schnappt daraufhin wie eine Mausefalle zu. Diese Schließbewegung wird über einen ausgeklügelten Gelenkmechanismus an den Kanal weitergeleitet, der die Zelloberfläche durchspannt, woraufhin dieser Kanal sich öffnet. Dadurch können außen angestaute positiv geladene Ionen in die Zelle einströmen und damit ein elektrisches Signal erzeugen.

Wichtige, aber geheimnisvolle Rolle

Auch der delta2-Rezeptor besitzt diese drei Teile. Warum aber wird er nicht durch Glutamat aktiviert? „Wir wissen, dass der delta2-Rezeptor an ganz spezifischer Stelle im Kleinhirn vorkommt, dass er eine extrem wichtige Rolle für die Feinkoordination der Motorik spielt, und dass er entscheidend zur richtigen Verschaltung der Nervenzellen in der Kleinhirnentwicklung beiträgt“, umreißt Prof. Hollmann die Fragestellung. „Was wir nicht genau wissen ist, wie der Rezeptor diese Funktionen erfüllt“. Die Forscher stellten sich daher die grundsätzliche Frage, ob der delta2-Rezeptor überhaupt in vergleichbarer Weise wie die anderen Glutamatrezeptoren funktionieren kann, nämlich als neurotransmitteraktivierter Ionenkanal.

Die griechische Mythologie hilft

Um diese Fragen zu beantworten, besannen sich die Forscher auf eine sehr alte Idee: sie stellten einen „chimären“ Rezeptor her. Die Chimäre ist ein Monster aus der griechischen Mythologie, das den Kopf eines Löwen, den Körper einer Ziege und den Schwanz einer Schlange besaß. Der künstliche, chimäre delta2-Rezeptor, den Sabine Schmid im Rahmen ihrer Doktorarbeit in der IGSN (International Graduate School of Neuroscience) konstruierte, besitzt das Gelenk und den Kanal des delta2-Rezeptors, aber die Erkennungsstelle für Glutamat aus einem seiner „normal“ funktionierenden Verwandten. Tatsächlich reagiert dieser „chimäre“ Rezeptor auf Glutamat und öffnet seinen bislang totgesagten Kanal: „Damit haben wir zum einen ein Werkzeug entwickelt, das uns zum ersten Mal erlaubt, die einzigartigen Eigenschaften des Gelenks und des Ionenkanals des delta2-Rezeptors zu untersuchen. Zum anderen legen unsere Ergebnisse nahe, dass das Geheimnis des delta2-Rezeptors in der Andersartigkeit seiner Erkennungsstelle für den Neurotransmitter liegt“, so Prof. Hollmann. Damit sind die RUB-Forscher der Funktion des „schwarzen Schafs“ ein wenig näher gerückt. Jetzt gilt es zu verstehen, auf welches Signal die eigene Erkennungsstelle im delta2-Rezeptor reagiert und welche Rolle das für seine essentielle Funktion im Kleinhirn spielt.

Titelaufnahme:
Schmid SM, Kott S, Sager C, Hülsken T, Hollmann M: „The glutamate receptor subunit delta2 is capable of gating its intrinsic ion channel as revealed by ligand binding domain transplantation“ In: Proceedings of the National Academy of Sciences; doi: doi:10.1073/pnas.0900329106

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

Von den Augen abgelesen

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juni 2009

Den Bauplan trägt der Monteur auf der Nase. Eine Daten-Brille liest ihm von den Augen ab, welche Details er gerade braucht. Sie ist mit einem PDA verbunden, zeigt Infos an und nimmt Befehle entgegen. Ihr Herzstück: ein CMOS-Chip mit Eye-Tracker im Mikrodisplay.

Für Auto-Designer, Geheimagenten im Film oder Piloten von Kampfjets gehören sie zum Arbeitsalltag: Daten-Brillen, auch Head Mounted Displays, kurz HMD, genannt. Sie versetzen ihre Träger in virtuelle Welten oder versorgen die Nutzer mit Daten zum realen Umfeld. Bisher konnten diese Brillen Informationen nur anzeigen. »Wir wollen die Brillen bidirektional machen, also interaktiv -, und erschließen damit ganz neue Anwendungsfelder«, sagt Dr. Michael Scholles, Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden. Der Forscher arbeitet an einer Brille mit Eye-Tracking: Der Benutzer kann die dargestellten Inhalte beeinflussen, indem er die Augen gezielt bewegt oder bestimmte Punkte im Bild fixiert. Ohne weitere Eingabegeräte kann er sich neue Inhalte anzeigen lassen, im Menü blättern oder Bildelemente verschieben. Vorteile durch die bidirektionale Daten-Brille sieht Scholles überall dort, wo Menschen auf Zusatzinformationen angewiesen sind, »aber typischerweise nicht die Hände frei haben, um Tastaturen oder Mäuse zu bedienen«. Den Eye-Tracker und die Bildwiedergabe ihres Systems haben die Dresdener Forscher auf einem CMOS-Chip integriert. Das macht die HMDs klein, leicht, einfach herzustellen und kostengünstig.

Bei dem Prototypen sitzt der 19,3 mal 17 Millimeter große Chip hinter dem Scharnier auf dem Bügel der Brille. Vom Bügel aus wird das Bild des Mikrodisplays so auf die Netzhaut des Anwenders projiziert, dass er es in rund einem Meter Entfernung vor sich sieht. Damit das Bild auch vor wechselnden und kontrastreichen Hintergründen gut sichtbar ist, muss es das Umgebungslicht überstrahlen. Deshalb arbeiten die Forscher mit OLEDs, organischen Leuchtdioden. Auf ihrer Basis lassen sich Mikrodisplays mit besonders hohen Leuchtdichten herstellen.

Sowohl in der Industrie als auch in der Medizin könnten die interaktiven Daten-Brillen zahlreiche Arbeitsabläufe einfacher, effizienter und präziser gestalten. Ob Vitalfunktionen, MRT- oder Röntgenbilder des Patienten für den operierenden Chirurgen oder Konstruktionszeichnungen, Bauanweisungen und Einstellparameter für Monteure und Service-Techniker – mögliche Einsatzszenarios gibt es viele. Einige Anwender haben schon herkömmliche HMDs getestet – die allerdings nicht wirklich überzeugten. Sie wurden meist für zu teuer, zu schwer, zu klobig oder wenig ergonomisch befunden. »Diese Hürden haben wir nun genommen«, sagt Scholles. Mit seinem Team und Kollegen anderer Fraunhofer-Institute arbeitet er bereits an der nächsten Entwicklungsstufe der bidirektionalen Brille.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Hilfestellung für moderne Impfstoffe

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 02.06.2009

Molekularer Mechanismus weist Weg zum Schutz vor Tuberkulose

In den Körper eingedrungene Infektionserreger werden von den Fresszellen des angeborenen Immunsystems mit Hilfe so genannter Mustererkennungsrezeptoren aufgespürt. Die Makrophagen reagieren mit der Freisetzung einer Vielzahl von Botenstoffen, mit denen sie die Entwicklung der Immunantwort steuern. Die genaue Kenntnis der beteiligten Rezeptoren und Signalwege hat große Bedeutung für die Entwicklung mikrobieller Liganden als molekular definierte Hilfsstoffe für moderne Impfungen, wie die Arbeitsgruppe von Prof. Roland Lang am Mikrobiologischen Institut des Universitätsklinikums Erlangen (Direktor: Prof. Dr. Christian Bogdan) kürzlich zeigen konnte.

Jährlich sterben fast zwei Millionen Menschen an Tuberkulose. Die Entwicklung von neuen Impfstoffen gegen Mycobacterium tuberculosis wird deshalb von der WHO gefordert und auch von der EU gefördert. Gentechnisch hergestellte Proteine des Erregers haben den großen Vorteil, dass sie sicher und in großer Menge herstellbar sind. Für die erfolgreiche Auslösung von schützenden Immunantworten mit solchen so genannten Subunit-Vakzinen werden allerdings Hilfsstoffe (sog. Adjuvanzien) benötigt, die über eine Aktivierung des angeborenen Immunsystems die Entwicklung der gewünschten T-Lymphozyten vorantreiben.

Adjuvanzien sind zur Anwendung beim Menschen aber Mangelware; das weithin benutzte Aluminiumhydroxid löst nur eingeschränkt zelluläre Immunantworten aus. Fortschritte werden von einem synthetisch hergestellten Glykolipid erwartet, einer Verbindung von Zuckerketten und Fettsäuren. Die Substanz namens Trehalose-dibehenat (TDB) hat in Untersuchungen bei Mäusen einen robusten Impfschutz gegen Tuberkulose hervorgerufen und soll deshalb auch für die Anwendung beim Menschen untersucht werden.

In einer kürzlich in Journal of Experimental Medicine publizierten Arbeit (1) konnte die Gruppe von Prof. Lang in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus München, Borstel, Dänemark und Ungarn den Mechanismus der Adjuvanzwirkung von TDB aufklären. Die Aktivierung einer Signalkaskade über die Kinase Syk und das Adapterprotein Card9 durch TDB in Makrophagen und Dendritischen Zellen startet ein Genexpressionsprogramm, das die Entwicklung der schützenden Impfantwort von T-Helferzellen des Th1 und Th17 Typs auslöst. Der Cordfaktor, ein dem TDB verwandter Bestandteil der Zellwand des Tuberkuloseerregers, aktiviert Makrophagen ebenfalls über den Syk-Card9 Signalweg. Dies legt eine wichtige Rolle auch in der Erkennung von Mykobakterien und ihrer Kontrolle durch das angeborene Immunsystem nahe.

Von besonderem Interesse ist nun die Identifizierung des Rezeptors für TDB und den Cordfaktor, denn damit wäre ein direkter Ansatzpunkt für eine Modulation von Impfantworten, z. B. mit stimulierenden Antikörpern gegen diesen Rezeptor, gefunden.

Publikation:
(1) Werninghaus et al. 2009 JEM 206: 89-97

Externer Link: www.uni-erlangen.de