Archiv des Monats: Juni 2009

Neuer Weltrekord im Sortieren riesiger Datenmengen

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Presseinformation des KIT (Karlsruhe Institute of Technology) vom 28.05.2009

Informatiker am KIT entwickeln neues, robusteres Verfahren

Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein neues, robusteres Sortierverfahren für sehr große Datenmengen entwickelt. Damit übertreffen sie den Rekord des Massachusetts Institute of Technology (MIT) sogar bei geringerem Hardwareaufwand.

Über das Internet vernetzte Rechner erzeugen immer größere Datenmengen. Um diese auswerten zu können, muss man sie zunächst nach einem bestimmten Kriterium ordnen. Das effiziente Sortieren von Daten ist von zentraler Bedeutung für Suchmaschinen oder Datenbanken – und damit ein wichtiges Forschungsthema in der theoretischen wie auch in der praktischen Informatik.

Der seit Jahren etablierte SortBenchmark, eine im Internet veröffentlichte Tabelle, über die Fachleute etwa von den Unternehmen Microsoft und Hewlett-Packard entscheiden, verzeichnet die jeweils aktuellen Rekorde im Sortieren. In der Königsdisziplin müssen mindestens 1012 Datensätze, also insgesamt 100 Terabyte sortiert werden.

Ein Forscherteam um Professor Peter Sanders am Institut für Theoretische Informatik hat sich nun in zwei Kategorien des SortBenchmark gegen die Konkurrenz durchgesetzt. So sortierten die Wissenschaftler, neben Sanders Dr. Mirko Rahn, Johannes Singler und Tim Kieritz, 100 Billionen Byte Daten in etwas weniger als drei Stunden, was einem Durchsatz von 564 GB pro Minute entspricht. Dafür nutzten sie einen Computerverbund mit 200 Rechenknoten, den Mitarbeiter des Steinbuch Centre for Computing (SCC) am KIT konfiguriert hatten. Ein Team des Internet-Giganten Yahoo schaffte zwar einen minimal besseren Wert, nutzte dafür aber mehr als 17mal so viele Rechenknoten.

Die KIT-Forscher erhöhten außerdem die Rekordzahl an Datensätzen, die in unter einer Minute sortiert werden können, auf 9,5 Milliarden (950 GB). Das ist mehr als das Dreifache des bisher vom MIT gehaltenen Rekords, der zudem auf einer größeren Maschine erzielt worden war. Auch der von Yahoo in dieser Kategorie neu eingereichte Wert lag um den Faktor zwei niedriger. Zudem verbesserten die Karlsruher Wissenschaftler einen von Google im November 2008 aufgestellten Rekord beim schnellen Sortieren von einer Billion Byte Daten Wert von 68 Sekunden auf 64 Sekunden, wiederum mit viel geringerem Hardware-Aufwand.

Der Vorsprung des Karlsruher Teams, so erläutert Peter Sanders, „ergibt sich vor allem aus einem neuen Verfahren, das sowohl die Anzahl der Festplattenzugriffe als auch die erforderliche Netzwerkkommunikation in die Nähe der minimal denkbaren Werte rückt.“ Der Sortieralgorithmus sei zudem robuster als die meisten Konkurrenzverfahren, weil er gute Leistung für beliebige Eingabedatensätze garantiere. Hinzu komme, so Sanders, „eine besonders effiziente Implementierung, welche die jeweils vier Festplatten und acht Prozessor-Kerne jedes Rechenknotens sehr gut auslasten kann.“ Ermöglicht hätten dies am Institut entwickelte Software-Bibliotheken. (ele)

Externer Link: www.kit.edu

Neues Verfahren produziert Kohlenwasserstoffe aus Bio-Öl

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Pressemitteilung der TU München vom 02.06.2009

Biomasse als Rohstoffquelle

Die Menge verfügbarer fossiler Rohstoffe ist endlich und geht allmählich zur Neige. Daher und aus Gründen des Umweltschutzes rücken erneuerbare Rohstoffquellen mehr und mehr ins Zentrum des Interesses. Bei hohen Temperaturen oder unter hohem Druck lässt sich aus Biomasse ein Gemisch sauerstoffhaltiger Verbindungen gewinnen, so genanntes Bio-Öl. Es gilt als viel versprechende neue Rohstoffquelle. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein katalytisches Verfahren vorgestellt, mit dem sich Bestandteile von Bio-Öl direkt in gesättigte Kohlenwasserstoffe und Methanol umsetzen lassen.

Bio-Öl wird durch Pyrolyse bei hohen Temperaturen oder Verflüssigung unter hohem Druck aus speziell angebauten Pflanzen, Holzabfällen oder anderen Pflanzenresten gewonnenen. Die saure, wässrige Mischung aus Bruchstücken von Zellulosemolekülen und anderen Pflanzeninhaltsstoffen ist so jedoch weder als Ausgangsstoff für Chemieprodukte noch als flüssiger Kraftstoff zu gebrauchen. Bisher fehlte die Möglichkeit, aus dem Gemisch die als Energieträger wichtigen gesättigten Kohlenwasserstoffe herzustellen, die normalerweise aus Erdöl gewonnen werden.

Ein Team aus deutschen und chinesischen Wissenschaftlern um Professor Johannes A. Lercher, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Chemie 2 der TU München, gelang es nun, einen Teil des Bio-Öls direkt in gesättigte Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. An verschiedenen Modellsubstanzen zeigten die Forscher, wie sich die so genannte phenolische Fraktion mit hoher Selektivität zu ringförmigen Kohlenwasserstoffen und Methanol umsetzen lässt. Als Katalysator setzten sie in ihren Versuchen Palladium auf einem Kohlenstoffträger ein. Phosphorsäure dient bei der Reaktion als Protonenlieferant. Die Umsetzung geschieht bei Temperaturen zwischen 200 und 250°C bei einem Druck von 50 Atmosphären.

Die Reaktion ist eine so genannte Eintopfreaktion, das heißt, eine einstufige Reaktion, deren einzelne Teilreaktionen ohne zwischengeschaltete Aufarbeitungsschritte in ein und demselben Reaktor ablaufen. Wahrscheinlich besteht die Reaktion aus acht aufeinander folgenden Einzelschritten. Das Erfolgsgeheimnis der Umsetzung ist der Katalysator, der in der Lage ist, alle unterschiedlichen Teilreaktionen in Gang zu bringen. Am Ende entsteht eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe, die sich wie Öl auf Wasser als zweite Phase absetzt, und so leicht abgetrennt werden kann.

Verglichen mit herkömmlichen Ansätzen zur Umwandlung von Biomasse zu Kohlenwasserstoffen, ist die neue Methode deutlich effizienter: Mit Cobalt-Molybdän-Katalysatoren gelang bisher nur eine Ausbeute von etwa 40 Prozent; die Methode von Professor Lercher zeigte dagegen in den Experimenten eine fast hundertprozentige Umwandlung.

Die Arbeiten wurden unterstützt vom Exzellenznetzwerk IDECAT (Integrated Design of Catalytic Nanomaterials for a Sustainable Production) im Rahmen des sechsten Rahmenprogramms der Europäischen Union.

Originalpublikation:
Highly selective catalytic conversion of phenolic Bio-Oil to Alkanes Chen Zhao, Yuan Kou, Angeliki A. Lemonidou, Xuebing Li und Johannes A. Lercher Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 3987-3990

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Wenn Therapie eine Typfrage ist

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Presseinformation der LMU München vom 29.05.2009

Nanotherapie kann Leberentzündung gezielt unterdrücken

Alkoholmissbrauch, virale Infektionen, Operationen und auch Transplantationen der Leber können eine Entzündung des Organs auslösen – und zu einem lebensbedrohlichen akuten Leberversagen führen. Ein zentraler Akteur der Entzündungsreaktion ist bereits bekannt: Der Transkriptionsfaktor NF-kB reguliert die Aktivität bestimmter Gene, so dass Entzündungsfaktoren produziert werden. „Dieses Molekül ist eine äußerst attraktive Zielstruktur für Wirkstoffe, die potent gegen Leberentzündungen vorgehen“, berichtet die LMU-Pharmazeutin Professor Angelika Vollmar. „Einen Haken gibt es aber: NF-kB wird in zwei Typen von Leberzellen produziert. Die Hepatozyten schützt er vor Schädigung und Zelltod und ist damit wichtig für das Überleben des ganzen Organs. Zu Entzündungen führt er nur in den Kupfferzellen, wo er selektiv blockiert werden sollte.“ Einem Team um Vollmar ist eben dies nun erstmals im Tiermodell gelungen, wie online in der renommierten Gastroenterologie-Fachzeitschrift GUT berichtet. Die Forscher banden kleine Moleküle, die NF-kB abfangen können, an winzige Nanopartikel, die selektiv nur von Kupfferzellen aufgenommen werden. „Im Tiermodell konnten wir akute Leberentzündungen sehr spezifisch hemmen“, sagt Vollmar. „Zudem erlaubt uns dieser Ansatz, die molekularen Entzündungsmechanismen besser zu untersuchen – möglicherweise auch ihre Rolle bei der Entstehung von Lebertumoren.“ (GUT online, 26. Mai 2009)

Transkriptionsfaktoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Genaktivität. NF-kB ist einer der wichtigsten Vertreter und kommt in nahezu allen Zelltypen vor. Damit aber beeinflusst das Molekül auch eine Vielzahl verschiedener zellulärer Prozesse, etwa bei der Immunabwehr des Körpers und auch beim gezielten Untergang von Zellen. Auch für die Entstehung von Entzündungen ist NF-kB essentiell. In den immunologisch aktiven Kupfferzellen der Leber, einem Typ von Makrophagen, kann dies allerdings gefährliche Konsequenzen haben. Denn hier kann die Entzündung ein lebensbedrohliches akutes Leberversagen auslösen.

Die akute Entzündungsreaktion der Kupfferzellen kann mit Hilfe generell wirkender Medikamente im Prinzip behandelt werden. Dann wird NF-kB aber auch in den Leberparenchymzellen, den sogenannten Hepatocyten, gehemmt. Diesen Zelltyp schützt der Transkriptionsfaktor jedoch vor Schädigung und vor dem Zelltod. Eine anti-entzündliche Therapie würde diese Schutzwirkung – und damit das Überleben und die Regeneration der ganzen Leber – gefährden. „Gewünscht ist deshalb eine selektive Wirkung gegen NF-kB in den Kupfferzellen, die sich nicht auf die Hepatocyten auswirkt“, sagt Professor Angelika Vollmar vom „Center for Drug Research“ am Department für Pharmazie der LMU. „Bislang war das technisch nicht möglich.“

Unter der Leitung Vollmars ist einem Team von LMU-Forschern, dem auch Professor Gerhard Winter, Privatdozent Dr. Conrad Coester, Pharmazeutische Technologie, und Professor Alexander Gerbes von der Medizinischen Klinik 2 des Klinikums der Universität München angehören, nun eine derart spezifische Blockade gelungen. „Wir haben kleine NF-kB-Hemmer an Gelatine-Nanopartikel gebunden“, berichtet Vollmar. „Diese nur Millionstel Millimeter großen Vehikel werden von den Kupfferzellen, nicht aber von den Hepatocyten aufgenommen.“ Entsprechend selektiv wurde NF-kB auch nur am gewünschten Zielort gehemmt: Im Tiermodell wurden so unter unterschiedlichen Bedingungen schwere Leberschäden verhindert.

„Dieser Ansatz liefert uns aber nicht nur eine effiziente und nebenwirkungsarme Therapie zur spezifischen Hemmung von NF-kB in den Kupfferzellen“, meint Vollmar. „Die Nanopartikel haben sich auch als nützliches chemisches Werkzeug erwiesen, um die komplexen Mechanismen einer Leberentzündung besser zu verstehen. So konnten wir beispielsweise zeigen, dass die Rolle von NF-kB bei einer Leberentzündung nicht nur vom Zelltyp abhängt, sondern auch vom Stimulus, der die Entzündungskaskade auslöst. Wir wollen jetzt mit Hilfe des neuen Verfahrens auch untersuchen, ob die von Kupfferzellen ausgelösten Entzündungen bei der Entstehung von Lebertumoren eine Rolle spielen.“

Die aus grundwissenschaftlicher wie therapeutischer Hinsicht wichtige Entwicklung des zellspezifischen NF-kB-Hemmers ist das Ergebnis einer Kooperation von Forschern aus dem pharmazeutisch-biologisch und -technologischen Bereich mit experimentellen Medizinern aus der Hepatologie, dem mit der Leber und den Gallenwegen befassten medizinischen Fachgebiet. Die Studie wurde durchgeführt im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschergruppe 440 „Prävention des Ischämie-Reperfusionsschadens“ unter der Leitung von Professor Alexander Gerbes. (suwe)

Publikation:
„A novel technique for selective Nf-kB inhibition in Kupffer cells – contrary effects in fulminant hepatitis and ischemia/reperfusion“,
Florian Hoffmann, Gabriele Sass, Jan Zillies, Stefan Zahler, Gisa Tiegs, Andreas Hartkorn, Sebastian Fuchs, Jenny Wagner, Gerhard Winter, Conrad Coester, Alexander L. Gerbes, Angelika M. Vollmar,
GUT online, 26. Mai 2009

Externer Link: www.uni-muenchen.de