Archiv des Monats: Juli 2009

Mikrowellen für ultrakalte Atome

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Presseinformation der LMU München vom 07.07.2009

Extrem präzise Messungen dank neuartiger Mikrochips

Extrem kalte Atome lassen sich auf einem Mikrochip mithilfe von Lasern und Magnetfeldern erzeugen und gezielt manipulieren. Das macht diese Chips zu einer Art Experimentierfeld der Quantenphysik, um grundlegende Fragen zu untersuchen, etwa den Welle-Teilchen-Dualismus. Gleichzeitig können Atomchips als präzise Sensoren für Kräfte wie die Gravitation oder schwache elektromagnetische Felder dienen. LMU-Physikern um Dr. Philipp Treutlein und Professor Theodor W. Hänsch ist es nun erstmals gelungen, Mikrowellenfelder auf einem Atomchip zu integrieren und damit ein Interferometer, also ein Messgerät für Materiewellen, zu realisieren. Die dabei verwendeten Mikrowellenpotentiale sind eine Schlüsseltechnologie für die Erzeugung neuartiger „gequetscher“ Quantenzustände. Diese Zustände verringern das sogenannte Quantenrauschen der Atome und eignen sich damit für die extrem präzise interferometrische Messung von Kräften. Die Potentiale könnten außerdem eine Schlüsseltechnologie für die Herstellung mikrochip-basierter Quantencomputer darstellen. (Nature Physics online, 5. Juli 2009).

Eingefangen, tiefgekühlt und unter Strom gesetzt: Atome auf einem Mikrochip haben oft kein leichtes Schicksal. Sie erlauben aber grundlegende Einblicke in die Welt der Quantenphysik. Die Basis der chipbasierten Technologie ist ein Quantenzustand der Materie, der 1995 erstmals im Labor verwirklicht wurde: Im Bose-Einstein-Kondensat werden Atome bis auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt – also 0 Kelvin oder -273,15 Grad Celsius – abgekühlt.

Aufgrund der extrem kalten Temperaturen entsprechen die Bewegung, der interne Energiezustand und andere Eigenschaften der Atome dann einem genau definierten Quantenzustand. Dieser kann mit Hilfe eines Mikrochips in einer Vakuumkammer gezielt manipuliert werden. Strom erzeugt dabei Magnetfelder, die die Teilchen wenige Mikrometer über der Chipoberfläche schweben lassen.

„Diese Technologie ermöglicht, den Welle-Teilchen-Dualismus, die Verschränkung von Quantenzuständen und andere grundlegende Fragen der Quantenphysik zu untersuchen“, sagt Dr. Philipp Treutlein, Leiter der Arbeitsgruppe „Munich Atom  Chip Group“ an der Fakultät für Physik der LMU München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. „Unter Quantenverschränkung versteht man, dass zwei oder mehr Teilchen nicht mehr einzeln, sondern nur noch als Gesamtsystem beschrieben werden können.“

Atomchips werden auch als Interferometer genutzt. Dieses Messgerät für Materiewellen nutzt aus, dass sich das Bose-Einstein-Kondensat auf dem Chip zunächst räumlich aufspalten und anschließend wieder vereinen lässt. „Bei der Aufspaltung wird eine quantenmechanische Überlagerung der Atome in zwei Zuständen erzeugt. Bei der Vereinigung interferieren die Zustände dann, und ein charakteristisches Interferenzmuster entsteht“, erklärt Treutlein. „Wirken im aufgespalteten Zustand externe Kräfte auf die Atomwolke ein, kann man diese anhand der Veränderungen des Interferenzmusters messen.“

Treutlein und sein Team haben nun ein Interferometer auf der Basis von Bose-Einstein-Kondensaten entwickelt. Es soll extrem präzise Messungen ermöglichen und erzeugt zudem – dank integrierter Mikrowellenfelder – außerordentlich flexible Potentiale. „Wir konnten den Bewegungszustand und den internen Energiezustand der Atome unabhängig voneinander manipulieren“, berichtet Treutlein. Neu ist auch, dass das Interferenzmuster nicht mehr räumlich aufgelöst werden muss. Es genügt, die Anzahl der Atome in den verschiedenen Zuständen zu bestimmen.

Die mikrowellenbasierte Technologie ermöglicht zudem die Erzeugung „gequetschter“ Quantenzustände, mit deren Hilfe die Präzision bei interferometrischen Messungen – etwa von Gravitations- oder Rotationskräften – deutlich gesteigert werden könnte. Denn gequetschte Quantenzustände reduzieren das Quantenrauschen bei Messungen. Hierdurch wird die Genauigkeit beim Auslesen von Atomuhren und bei der interferometrischen Messung sehr schwacher Kräfte bislang begrenzt.

„Mikrowellenbasierte Atomchips könnten als kompakte und extrem empfindliche Messgeräte schwache elektromagnetische Felder, Rotations- und Gravitationkräfte bestimmen“, sagt Treutlein. Die Messung von Rotationskräften ist etwa bei Navigationsgeräten von Bedeutung, während das Aufspüren schwacher Gravitationsveränderungen für die Entdeckung unterirdischer Wasser- oder Erdölvorräte von Nutzen sein könnte.

In der Computertechnologie sieht der Physiker etwa in der Entwicklung eines Quantencomputers mögliche Anwendungen. „Hier sind Atomchips von Vorteil, weil sie sehr kompakt sind und viele Quantenbits und -gatter auf ihnen Platz haben“, so Treutlein. „Außerdem leben die Überlagerungszustände von ultrakalten Atomen lange und sind sehr stabil.“ (CA/suwe)

Publikation:
„Coherent manipulation of Bose-Einstein condensates with state-dependent microwave potentials on an atom chip“;
Pascal Böhi, Max F. Riedel, Johannes Hoffrogge, Jakob Reichel, Theodor W. Hänsch and Philipp Treutlein;
Nature Physics online, 5. Juli 2009;
DOI: 10.1038/NPHYS1329

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Batterien aus dem Drucker

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juli 2009

Lange galten Batterien als sperrig und schwer. Ganz anders eine neuartige Batterie: Sie ist dünner als einen Millimeter und leichter als ein Gramm. Und: Sie lässt sich kostengünstig herstellen – in einem Druckverfahren.

Musste man früher wegen jeder Überweisung und jedem Kontoauszug zur Bank sausen, lassen sich Bankgeschäfte heute bequem von zu Hause erledigen. Doch wo ist nur wieder der Zettel mit den Transaktionsnummern, kurz TANs? Künftig könnte einem die Suche nach der Nummer erspart bleiben: Ein Druck auf die EC-Karte, und ein kleines darin integriertes Display zeigt die zu verwendende TAN-Nummer an. Nur noch abtippen, und los geht’s. Basis für dieses Szenario: eine druckbare Batterie, die sich im großen Maßstab kostengünstig herstellen lässt. Entwickelt hat sie ein Forscherteam um Prof. Dr. Reinhard Baumann der Fraunhofer-Einrichtung für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz gemeinsam mit Kollegen der TU Chemnitz und der Menippos GmbH. »Unser Ziel ist es, die Batterien bei entsprechender Massenproduktion zu einem Preis im einstelligen Centbereich herstellen zu können«, sagt Dr. Andreas Willert, Gruppenleiter am ENAS.

Die Eigenschaften der Batterie unterscheiden sich erheblich von denen herkömmlicher: Die druckbare Variante bringt weniger als ein Gramm auf die Waage, ist nicht mal einen Millimeter dick und lässt sich daher beispielsweise in Scheckkarten integrieren. Die Batterie enthält kein Quecksilber und ist damit umweltverträglich. Ihre elektrische Spannung liegt mit 1.5 Volt im normalen Bereich. Schaltet man mehrere Batterien hintereinander, lassen sich auch Spannungen von 3 Volt, 4.5 Volt und 6 Volt realisieren. Aufgebaut ist die neuartige Batterie aus verschiedenen Schichten: unter anderem einer Anode aus Zink und einer Kathode aus Mangan. Zink und Mangan reagieren miteinander und produzieren Strom. Die Anoden- und die Kathodenschicht verbrauchen sich durch diesen chemischen Prozess jedoch allmählich. Die Batterie ist daher für Einsätze gedacht, die eine begrenzte Lebensdauer oder begrenzten Strombedarf haben – etwa Grußkarten.

Gedruckt werden die Batterien im Siebdruck-Verfahren, ähnlich wie bei T-Shirts und Schildern. Dabei presst eine Art Gummilippe die Druckpaste durch ein Maschennetz auf das Substrat. Eine Schablone deckt die Stellen ab, die nicht bedruckt werden sollen. Mit diesesm Verfahren lassen sich verhältnismäßig große Mengen Druckpaste aufbringen – die einzelnen Schichten sind etwas dicker als ein Haar. Im Labormaßstab haben die Forscher die Batterie bereits hergestellt. Ende des Jahres könnten die ersten Produkte realisiert sein.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Auf Nummer sicher

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 02.07.2009

Max-Planck-Forscher haben erstmals klar definierte adulte Zellen direkt und ohne Viren in pluripotente Stammzellen umgewandelt

Erstmals hat das Team um Kinarm Ko und Hans Schöler vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster einen klar definierten Zelltyp aus dem Hoden erwachsener Mäuse gezüchtet und diesen ohne eingeschleuste Gene, Viren oder Reprogrammierungsproteine in pluripotente Stammzellen umgewandelt. Diese besitzen die Fähigkeit, alle Gewebe des Körpers bilden zu können. Entscheidend für die Reprogrammierung waren allein die Kulturbedingungen. (Cell Stem Cell, 2. Juli 2009)

Der Hoden ist ein empfindliches Organ und ein erstaunliches dazu. Selbst im Alter von 70, 80 oder 85 Jahren verfügen Männer über Zellen, die stetig neue Spermien produzieren. Nahezu lebenslang kann „Mann“ deshalb Embryonen zeugen und Vater werden – vorausgesetzt, er findet eine ausreichend junge Frau. Schon lange haben Forscher daher vermutet, dass in Zellen aus dem Hoden ein ähnliches Potential steckt wie in Stammzellen aus Embryonen: jene Pluripotenz, die es ihnen ermöglicht, jeden der mehr als 200 Zelltypen des Körpers zu bilden.

In der Tat sind in jüngerer Zeit mehrere Forscher auf solche Multitalente in den männlichen Keimdrüsen von Menschen und Mäusen gestoßen. Den Anfang machte 2004 ein Team um Takashi Shinohara. Die Japaner hatten entdeckt, dass bestimmte Zellen im Hoden neugeborener Mäuse wie embryonale Stammzellen in der Lage sind, sich zu verschiedenartigen Geweben zu entwickeln. 2006 berichteten Göttinger Wissenschaftler um Gerd Hasenfuß und Wolfgang Engel, dass es solche wandlungsfähigen Zellen auch in erwachsenen Mäuse-Männchen gibt. Zuletzt sorgten Thomas Skutella und seine Kollegen von der Universität Tübingen für Schlagzeilen, nachdem sie vergleichbare Zellen aus Hodengewebe von Männern gezüchtet hatten.

Verwirrende Vielfalt von Zellen

„Auf den ersten Blick scheint es daher so, als ob es längst bewiesen sei, dass es im Hoden erwachsener Menschen und Mäuse pluripotente Zellen gibt“, sagt Schöler. „Häufig ist aber unklar, um welche Zellen es sich in den jeweiligen Publikationen genau handelt und was diese Zellen tatsächlich können.“ (siehe unten: Hintergrundinformation)

Das liegt nicht nur daran, dass es im Hoden eine Vielzahl unterschiedlicher Zellen gibt. Wer das Gewebe im Labor auflöst, muss die Zellen erst sorgfältig trennen und analysieren, um zu wissen, welchen Typus er unter der Lupe hat. Auch die Frage der Potenz sorgt unter Stammzellforschern immer wieder für Diskussionen. Denn: Verbindliche Maßstäbe gibt es bislang nicht. Was für die einen schon „pluripotent“ ist, geht für die anderen gerade mal als „multipotent“, also nur eingeschränkt wandelbar, durch. Mehr Gewissheit geben zwar einschlägige Tests. Dazu zählt unter anderem eine Untersuchung, ob die Zellen nach einer Injektion in frühe Embryonen in der Lage sind, sowohl zum Aufbau des neuen Organismus als auch zur Bildung von Keimzellen beizutragen und ihre Gene über weitere Generationen zu vererben. Doch nicht jedes Team nimmt alle Prüfungen vor. Selbst bei Veröffentlichungen in renommierten Journalen bleiben mitunter wichtige Fragen offen.

Stabile Ausgangszelllinie

Ko und seine Kollegen wollten in ihrer Arbeit von Anfang an Klarheit schaffen. Dazu züchteten sie zunächst aus dem Hoden erwachsener Mäuse einen genau definierten Typus von Zellen, so genannte Keimbahn-Stammzellen (engl. germline stem cells, kurz GSCs). In ihrem natürlichen Umfeld können diese Zellen nur eines: immer wieder neue Spermien bilden. Zudem sind sie extrem rar gesät. Unter 10 000 Zellen im Hodengewebe einer Maus finden sich davon gerade einmal zwei oder drei. Dennoch lassen sie sich einzeln isolieren und als Zelllinie mit stabilen Eigenschaften vermehren. Unter üblichen Zellzuchtbedingungen behalten sie wochen- und jahrelang ihre Unipotenz. Sie sind also ausschließlich in der Lage, sich selbst zu vermehren oder Spermien zu bilden.

Was bislang niemand ahnte: Ein einfacher Trick genügt, um die Zellen zur Reprogrammierung anzuregen. Teilt man die Zellen auf neue Kulturschalen auf, versetzen sich einige von ihnen selbst in einen embryonalen Zustand zurück – vorausgesetzt, man lässt ihnen genügend Platz und genügend Zeit. „Jedes Mal, wenn wir ungefähr 8000 Zellen in die einzelnen Gefäße der Zellkultur-Platten gefüllt hatten, haben sich einige der Zellen nach zwei Wochen selbst reprogrammiert „, berichtet Ko. Und ist der Schalter in diesen „germline-derived pluripotent stem cells“ (gPS) erst einmal umgelegt, fangen sie an, sich rasant zu vermehren.

Dass der „Neustart“ der Zellen tatsächlich geklappt hatte, belegten die Forscher anhand zahlreicher Tests. Aus den umgewandelten Zellen ließen sich nicht nur ebenso gut Herz-, Nerven- oder Endothelzellen züchten, wie aus embryonalen Stammzellen. Die Wissenschaftler konnten mit den neuen gPS auch Mäuse mit gemischtem Erbgut, so genannte Chimären, erzeugen und zeigen, dass die aus dem Hoden gewonnenen Zellen ihr Erbgut in die nächste Generation weiter tragen können.

Noch ist offen, ob sich das Verfahren auf den Menschen übertragen lässt. Vieles spricht jedoch dafür, dass gPS-Zellen hinsichtlich der Einfachheit ihrer Herstellung und ihrer Sicherheit alle bisher künstlich reprogrammierten Zellen übertreffen. [JMK / BA]

Originalveröffentlichung:
Kinarm Ko, Natalia Tapia, Guangming Wu, Jeong Beom Kim, Marcos J Araúzo-Bravo, Philipp Sasse, Tamara Glaser, David Ruau, Dong Wook Han, Boris Greber, Kirsten Hausdörfer, Vittorio Sebastiano, Martin Stehling, Bernd K. Fleischmann, Oliver Brüstle, Martin Zenke, und Hans R. Schöler
Induction of pluripotency in adult unipotent germline stem cells
Cell Stem Cell, 02. Juli 2009, doi: 10.1016/j.stem.2009.05.025

Hintergrundinformation:
Mito Kanatsu-Shinohara und Takashi Shinohara
The germ of pluripotency
Nature Biotechnology 24(6), Juni 2006, doi: 10.1038/nbt0606-663

Externer Link: www.mpg.de

Erbgut als Kleber

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Presseinformation des KIT (Karlsruhe Institute of Technology) vom 29.06.2009

Karlsruher Forscher synthetisieren Nano-Materialien mit DNA

Das ist der Traum jedes Ingenieurs, der regelmäßig strukturierte Materialien mit kleinsten Poren benötigt: ein Klebstoff, der winzige Partikel nicht nur zusammenhält, sondern sie auch selbständig im richtigen Abstand in Kontakt bringt. Wissenschaftler um die Professoren Clemens Richert und Stefan Bräse am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun einen solchen Stoff als „Biokleber“ entwickelt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ChemBioChem veröffentlicht (2009, 10, 1335-1339).

Um dreidimensionale Gitter mit Poren im Nanometer-Bereich (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) aufzubauen, knüpfen sie extrem kurze Stücke von einsträngiger Desoxyribonukleinsäure (DNA), die von der Natur ursprünglich als Träger der genetischen Information entwickelt wurde, an ein sternförmiges Molekül. Wie im Erbgut der Lebewesen lagern sich jeweils zwei DNA-Einzelstränge, die aufgrund der Abfolge ihrer Bausteine zueinander komplementär sind, zu einem Doppelstrang zusammen. An jedem Zentralmolekül sind vier dieser „klebrigen“ DNA-Enden wie die Ecken eines Tetraeders angeordnet. Sie können sich daher mit jeweils vier anderen Molekülen verbinden. Durch Selbstorganisation entsteht so eine komplexe räumliche Gitterstruktur mit neuen Eigenschaften.

Poröse Materialien spielen als Katalysatoren, Speichermedien und strukturgebende Komponenten, beispielsweise in der Technik oder der Medizin, eine wichtige Rolle. „Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass mit Hilfe kurzer DNA-Schnipsel quasi-unendliche Strukturen für solche Anwendungen aufgebaut werden können“, beschreibt Richert die Arbeit, die am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Bräse (Chemie), Wenzel (Physik) und Puchta (Biologie) entstand. Dafür reichten bereits DNA-Abschnitte von nur zwei Nukleotiden, also den Buchstaben, aus denen DNA besteht, damit sich die Gerüste in wässriger Lösung bildeten. Dieses Material lagert sich dann selbständig zu Nanopartikeln zusammen, wenn es abgekühlt wird.

Die extrem kurzen DNA-Doppelstränge haben den Vorteil, dass eine relativ geringe Aktivierungsenergie benötigt wird, um fehlerhafte Strukturen wieder aufzubrechen. „Dies ermöglicht einen dynamischen Auf- und Abbauprozess“, so Richert, der auch nach seinem kürzlichen Wechsel an die Universität Stuttgart das Projekt in Zusammenarbeit mit seinen Karlsruher Kollegen weiterführen wird. „Ein großer Vorteil dabei ist, dass wir mit rein synthetischem Material große Gitter erhalten können.“ (lg/gk)

Literatur:
Two Base Pair Duplexes Suffice to Build a Novel Material. M. Meng et al., ChemBioChem 2009, 10, 1335-1339.

Externer Link: www.kit.edu