Archiv für den Monat März 2010

Weltrekord in energieeffizienter Datenverarbeitung

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 26.03.2010

Green Computing am KIT: Informatiker setzen auf den Einsatz von stromsparenden Prozessoren

Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Goethe-Universität Frankfurt haben ein Verfahren entwickelt, das den Energieverbrauch bei der Verarbeitung von großen Datenmengen deutlich reduziert. Damit erzielten sie einen neuen Weltrekord bei einem internationalen Wettbewerb zur effizienten Sortierung von Daten. Verglichen mit den vorherigen Rekordhaltern von der Stanford University steigerten sie die Energieeffizienz um das Drei- bis Vierfache.

Dem Forscherteam um Professor Peter Sanders vom KIT und Professor Ulrich Meyer von der Universität Frankfurt gelang der Rekord durch den Einsatz von scheinbar unkonventioneller Hardware: Anstelle von stromschluckenden Serverprozessoren verwendeten die Wissenschaftler erstmals Prozessoren vom Typ „Intel Atom“. Das sind Mikroprozessoren, die für Netbooks entwickelt wurden.
 
Die im Vergleich zu Serversystemen schwächere Rechenleistung konnten die Wissenschaftler kompensieren, indem sie hocheffiziente Algorithmen einsetzen. Anstelle von Festplatten, die viel Strom zum Antrieb der mechanischen Komponenten brauchen, verwendeten Sanders, Meyer und ihr Team „Solid State Disks (SSD)“, die deutlich schneller und gleichzeitig sparsamer sind.
 
Das für die Wissenschaftler überraschende Rekordergebnis werfe, so Meyer, die Frage auf, ob der zunehmende Energiehunger der Informationstechnik nicht deutlich gesenkt werden könne. „Auf lange Sicht sollten viele kleine, sparsame und kooperierende Systeme die bislang üblichen schwergewichtigen ersetzen“, bekräftigt Sanders.

Ausgangspunkt war für die Wissenschaftler ein Schlüsselproblem in der Informatik: das Sortieren von Daten. Rechner, die über das Internet miteinander vernetzt sind, erzeugen immer größere Datenmengen. Um diese auswerten zu können, muss man sie zunächst nach einem bestimmten Kriterium sortieren. Das effiziente Sortieren von Daten ist daher von zentraler Bedeutung für Suchmaschinen und Datenbanken – und damit ein wichtiges Forschungsthema in der theoretischen wie auch in der praktischen Informatik.
 
In den drei Kategorien des Wettbewerbs mussten zehn GigaByte, 100 GigaByte oder ein TeraByte an Daten sortiert werden, bestehend aus Datensätzen zu jeweils 100 Byte. Selbst für die größte Datenmenge, die einem Papierstapel von zehn Kilometer Höhe entspricht, benötigten die neuen Rekordhalter nur 0,2 Kilowattstunden. Das ist ungefähr so viel Energie, wie zum Aufkochen von zwei Litern Wasser benötigt wird.

Unter der Leitung von Sanders und Meyer entwickelten die Doktoranden Johannes Singler (KIT) und Andreas Beckmann (Universität Frankfurt) das energiesparende System. Verzeichnet ist der Weltrekord in dem seit Jahrzehnten etablierten „Sort Benchmark“, den Fachleute etwa von den Unternehmen Hewlett-Packard und Microsoft veröffentlichen. Die Forscher gewannen in den „JouleSort“-Kategorien. (ele)

Externer Link: www.kit.edu

Entwicklung adulter Stammzellen im Frühstadium erforscht

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 26.03.2010

Göttinger Biophysiker untersucht Ordnung und Struktur des Zellgerüsts

(pug) Aus adulten menschlichen Stammzellen können sich verschiedene Gewebezellen entwickeln. Welcher Zelltyp sich herausbildet, hängt unter anderem mit den mechanischen Eigenschaften der Zellumgebung zusammen: Auf weichen Oberflächen entwickeln sich nach einigen Tagen Nervenzellen, auf mittelharten Muskelzellen und auf harten Oberflächen entstehen Knochenzellen. Der Göttinger Biophysiker Dr. Florian Rehfeldt hat mittels Fluoreszensmikroskopie das frühe Stadium dieser Differenzierung untersucht. Bereits nach 24 Stunden konnte er erkennen, wie sich die Form und innere Struktur von Stammzellen aus dem Knochenmark in Richtung Muskelzellen verändern. Damit konnte Dr. Rehfeldt nachweisen, dass sich bereits nach sehr kurzer Zeit signifikante Unterschiede durch das komplexe mechanische Zusammenspiel zwischen Zelle und Umgebung herausbilden. Bei seiner Forschung hat er mit Kollegen aus Israel und den USA kooperiert. Die Wissenschaftler entwickelten und erprobten ein physikalisch theoretisches Modell, welches das komplexe System von Zelle und Umgebung mit einfachen Prinzipien der klassischen Mechanik erklärt. Ihre Forschungsergebnisse haben sie in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

„In der Medizin kann es in Zukunft von Nutzen sein, Stammzellen aus dem Knochenmark zu therapeutischen Zwecken einzusetzen. Dafür ist es wichtig zu verstehen, wie das komplexe mechanische Zusammenspiel zwischen Zelle und Umgebung abläuft“, so Dr. Rehfeldt. „Deshalb haben wir in unseren Experimenten sehr genau die Ordnung und Struktur des Zytoskeletts von Stammzellen in Abhängigkeit von der Zellumgebung untersucht.“ Das Zytoskelett ist das mechanische Gerüst, mit dessen Hilfe Zellen Kräfte aufbauen und an die Umgebung übertragen. Dieses Netzwerk im Inneren der Zelle besteht unter anderem aus Akto-Myosin-Stressfasern, die wie Taue kreuz und quer gespannt sind.

Dr. Rehfeldt hat in seinen Experimenten Stammzellen auf unterschiedlich harten Oberflächen wachsen lassen und mit Hilfe elektronischer Bildverarbeitung analysiert, wie sich diese Stressfasern ausrichten. „Die Zellen sind zunächst alle rund. Auf einer Oberfläche mittlerer Elastizität strecken sie sich in die Länge, indem sich die Stressfasern entlang der Hauptrichtung der Zelle ausrichten. Das ist ganz typisch für Muskelzellen“, erläutert der Göttinger Biophysiker. „Mit diesem Verfahren haben wir bereits 24 Stunden nach dem Auftragen der Stammzelle auf die Oberfläche starke Indizien für die Entwicklung in Richtung Muskelzelle. Biochemische Analysen können dies erst nach mehreren Tagen nachweisen.“

Für die Erklärung des komplizierten Systems haben Dr. Assaf Zemel von der Hebrew University in Jerusalem und Prof. Dr. Samuel Safran vom israelischen Weizman Institute of Science ein physikalisch theoretisches Modell entwickelt. „Obwohl dieses Rechenmodell auf einfachen mechanischen Annahmen beruht, kann es doch erstaunlich genau das komplexe Zusammenspiel von Zelle und Umgebung beschreiben. So können wir grundlegende Fragen der Biophysik von Zellen besser verstehen“, so Dr. Rehfeldt. Das Modell soll nun verfeinert werden, um auch das Verhalten anderer Zelltypen erklären zu können.

Dr. Florian Rehfeldt hat die Untersuchungen an der amerikanischen University of Pennsylvania begonnen, an der er als Postdoktorand im Rahmen eines Feodor-Lynen Stipendiums der Alexander von Humboldt-Stiftung forschte. Seine experimentelle Forschung für die Studie setzte er an der Universität Göttingen fort. Hier leitet er seit Oktober 2008 eine Nachwuchsgruppe zur Erforschung der Mechanik von Zellen und Zellumgebungen am Dritten Physikalischen Institut.

Originalveröffentlichung:
A. Zemel, F. Rehfeldt et al.: Optimal matrix rigidity for stress-fibre polarization in stem cells, Nature Physics (21 March 2010), DOI 10.1038/nphys1613

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Temperatur und Druck sichtbar machen

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 24.03.2010

Umweltfreundlich und leicht abwaschbar: Regensburger Wissenschaftler entwickeln neuartige Farben für Messungen im Windkanal

Die Verteilung des Oberflächendrucks und der Oberflächentemperatur bei Flugzeugen oder Automobilen kann durch Windkanaltests gemessen werden. Für Forschungen im Bereich der Aerodynamik sind diese Tests von zentraler Bedeutung. Im Rahmen der Tests wurden bislang zumeist Farben verwendet, die entweder temperatur- oder druckempfindlich sind. In der Regel sind solchen Farben extrem giftige Substanzen beigemischt, die spezielle Sicherheitsvorkehrungen erforderlich machen. Zudem können sie nach einem Windkanaltest nur durch ein aufwendiges Verfahren wieder entfernt werden.

Ein Forscherteam um Prof. Dr. Otto Wolfbeis vom Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik der Universität Regensburg hat in diesem Zusammenhang nun wasserlösliche und umweltfreundliche Farben entwickelt. Mit ihrer Hilfe können sowohl die Druck- als auch die Temperaturverteilungen auf den Oberflächen von Flugzeugen und Automobilen gleichzeitig gemessen werden. Die Farben sind darüber hinaus leicht abwaschbar und bieten hervorragende Messeigenschaften.

Die Regensburger Chemiker benutzen dafür fluoreszierende Sonden, die in Mikro- bzw. Nanopartikel eingebettet vorliegen. Durch das Auftragen oder Aufsprayen einer wässrigen Suspension der gefärbten Partikel auf Aluminiumoberflächen entsteht eine gleichmäßige dünne Schicht mit großer Stabilität und Haftungskraft. Auf weitere Bindungs-Polymere und auf giftige Lösungsmittel kann verzichtet werden. Die Messsonden in der Farblösung können durch LEDs oder durch Laser bei einer Wellenlänge von 405 nm aktiviert werden und liefern so über deren Fluoreszenz eine bildhafte Darstellung der Verteilung des Oberflächendrucks und der Oberflächentemperatur.

Robert Crutchley, Professor an der Carleton University in Kanada und führender Experte auf dem Gebiet der Sensorik, ist von dem bedeutenden Nutzen der neuen Sensorfarben überzeugt: „Die Technologie für gleichzeitige Messungen des Oberflächendrucks und der Oberflächentemperatur existierte schon vorher, aber noch niemand hat es auf diese Weise versucht. Das ist ein wirklich innovativer Ansatz für die Anwendung von druckempfindlichen Farben.“

Die Regensburger Wissenschaftler wollen nun die Reaktionszeit der Sonden verbessern. „Die Luftfahrt- und Automobilindustrie will Sensorfarben, die Ansprechzeiten im Millisekunden-Bereich aufweisen“, so Prof. Wolfbeis. „Derzeit erreichen wir etwas weniger als einer Sekunde.“

Die Forschungsergebnisse der Regensburger Wissenschaftler sind vor kurzem in der renommierten britischen Fachzeitschrift „Analyst“ veröffentlicht worden ( DOI: 10.1039/b927255k ).

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Fälschungssichere Medikamente durch RFID

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Mediendienst der Universität Stuttgart vom März 2010

Verbesserte Herkunftsnachweise in der Pharmabranche

Eine detaillierte Nachweispflicht und eine verbesserte Sicherheit vor Fälschungen von pharmazeutischen Produkten sind in Zeiten, in denen Medikamente auch online bestellt werden können, von zunehmender Bedeutung. Vor allem aus Gründen des Pa­tientenschutzes wächst der gesetzgeberische Druck, Fehlmedikationen und Medikamentenfälschungen durch eine lückenlose Rückverfolgung von einzelnen Medikamentenverpackungen zu verhindern. Moderne Identifikationsverfahren wie RFID (Radio Frequenz Identifikation) können für Transparenz in der Pharma-logistik sorgen. Allerdings erschweren die für Medikamente oft verwendeten Metallverpackungen, wie Tuben oder Blister, die Erfassung. Wissenschaftler des Instituts für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart (IFT) erforschen im Projekt „RadioPharm“ Möglichkeiten für eine praktikable und vollständige Erfassung.

Vor allem kleine und mittelständische Unternehmen der Pharmabranche setzen RFID bisher kaum ein. Grund sind neben den Schwierigkeiten bei der technischen Umsetzung die damit verbundenen hohen Kosten. Um bei einer Gesetzesänderung zur Nachweispflicht vorbereitet zu sein und einen kostengünstigen Einsatz von RFID in der Pharmalogistik zu entwickeln, arbeiten die Stuttgarter Forscher mit Pharma-Unternehmen, einer Stuttgarter und einer Versand-Apotheke und weiteren Unternehmen zusammen. Sie prüfen die gesamte Wertschöpfungskette ausgewählter Medikamente vom Arzneimittelhersteller über den Großhändler bis hin zur Apotheke und damit zum Verbraucher.

Die Logistiker bauten ein Identifikationssystem für verschiedene Verkaufsverpackungen von Medikamenten auf. Neuartig an diesem System ist, dass jede Medikamentverpackung und nicht nur größere Umverpackungen oder Paletten mit einem Transponder (in diesem Fall mit Schreib- und Lesezugriff) versehen ist. Zudem sollte, trotz störender Einflüsse von Flüssigkeiten oder Metallen, der Schreib-Lese-Zugriff auf jeden einzelnen Transponder möglich sein – eine neue Anforderung an die RFID-Technologie, die speziell im Pharmabereich zum Tragen kommt. Um die technische Machbarkeit des von ihnen entwickelten Systems nachzuweisen, bauten die Mitarbeiter des IFT eine Mess- und Prüfstrecke als Demonstrator. Mit diesem kann untersucht werden, ob auf die mit Transpondern ausgestatteten Einzelverpackungen unabhängig von der Medikamenten-Darreichungsform (wie Flüssigkeiten, Tabletten, Salben) zuverlässig zugegriffen werden kann, sowohl für die Einzelidentifikation als auch für größere Mengen (Pulklesung). Damit ist nicht nur die Abbildung einer Produktionslinie eines Arzneimittelherstellers, sondern auch der Prüfprozess nach der Auftragszusammenstellung beim Großhändler möglich. Durch den Einsatz solcher Systeme ergibt sich für den Verbraucher mehr Sicherheit beim Medikamentenkauf.

Das Projekt RadioPharm wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke” e.V. (AiF) und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit gefördert und von der Bundesvereinigung Logistik e.V. betreut.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Stammzellnetzwerke im Zebrafisch

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Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 18.03.2010

Freiburger Forscherteam entdeckt Eigenschaften von embryonalen Stammzellnetzwerken – Veröffentlichung in „Molecular Systems Biology“

Embryonale Stammzellen (ES) haben ein unschätzbares Potential für die regenerative Medizin. Gerade beginnt die Wissenschaft zu verstehen wie die vielfältigen Entwicklungsmöglichkeiten (“Pluripotenz”) der ES-Zellen entstehen. Das Pou5f1/Oct4 Protein ist dabei einer der wichtigsten Stammzellfaktoren. Im Gegensatz dazu weiß man leider noch wenig über Struktur und Funktion des regulatorischen Netzwerkes, das von Pou5f1/Oct4 gesteuert wird. Dieses Netzwerk kann Pluripotenz aufrechterhalten, aber auch gleichzeitig die Zuordnung embryonaler Zellen in die verschiedenen Hauptzelllinien ermöglichen. Systembiologen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg um Prof. Dr. Wolfgang Driever, Dr. Daria Onichtchouk aus der Biologie und Prof. Dr. Jens Timmer aus der theoretischen Physik haben in einer Kombination aus Embryologie, Bioinformatik und mathematischer Modellierung im Modell Zebrafisch einen systembiologischen Ansatz erfolgreich zum Verständnis grundsätzlicher Regulationsmechanismen der frühen embryonalen Genregulationsnetzwerke eingesetzt. Die Forschung erfolgte in enger Zusammenarbeit am Zentrum für Biosystemanalyse (ZBSA) der Universität. Die Ergebnisse wurden am 9. März 2010 in der renommierten Fachzeitschrift „Molecular Systems Biology“ veröffentlicht.

Stammzellen haben in der Biomedizin das Potential eine der wesentlichen Therapiekomponenten bei der Heilung von Degenerationserkrankungen der alternden Bevölkerung zu werden. Die vielfältigen Entwicklungsmöglichkeiten der embryonalen Stammzellen sind jedoch gleichzeitig Hoffnung und Gefahr: Wie kann sichergestellt werden, dass aus Stammzellen stabile Zellen des gewünschten Typs werden, aber zum Beispiel keine Tumore? Eine der Grundlagen dafür ist ein besseres Verständnis der aufeinanderfolgenden Regulationsschritte bei der natürlichen Differenzierung von Stammzellen in definierte Gewebe im Embryo. Komplexe Netzwerke aus Regulatoren und Signalen steuern in einer Reihe aufeinander folgender Regulationsphasen diese Differenzierung. In Zellkulturen und im Säugerembryo ist es schwierig, diese Schritte zu untersuchen, da Differenzierungsschritte in der zeitlichen Abfolge oft asynchron verlaufen (Zellkultur) und entsprechende Entwicklungsstadien experimentell schlecht zugänglich sind (Embryo).

Genau dieses Regulationsnetzwerk wurde von den Freiburger Systembiologien untersucht und in wichtigen Aspekten aufgeklärt. Von entscheidender Bedeutung für das tiefergehende Regulationsverständnis waren detaillierte zeitaufgelöste Untersuchungen, bei denen an 10 Entwicklungszeitpunkten jeweils für Wildtypen und Oct4/Pou5f1-defiziente Embryonen das embryonale Transkriptom untersucht wurde. Die aus systembiologischer Modellierung entwickelten Erkenntnisse geben nicht nur Einblicke in die zeitliche Dynamik sondern auch die Struktur, Funktion und Evolution des Stammzellnetzwerkes.

Neben Prof. Dr. Wolfgang Driever, Dr. Daria Onichtchouk und Prof. Dr. Jens Timmer sind auch Dr. Florian Geier, Dr. Bozena Polock, Dr. Björn Wendik, Sungmin Song und Rebecca Mössner von der Universität Freiburg sowie Dr. Verdon Taylor und Dr. Daniel Messerschmidt vom Max-Planck-Institut Freiburg an der Studie beteiligt. Wolfgang Driever und Jens Timmer sind Internal Senior Fellows des Freiburg Institut for Advanced Studies (FRIAS).

Originalveröffentlichung:
Onichtchouk D, Geier F, Polok B, Messerschmidt DM, Mössner R, Wendik B, Song S, Taylor V, Timmer J, and Driever W. (2010) Zebrafish Pou5f1-dependent transcriptional networks in temporal control of early development. Molecular Systems Biology 6:354 (doi: 10:1038/msb.2010.9)

Externer Link: www.uni-freiburg.de