Archiv für den Monat Mai 2010

Körperscanner für Kunstwerke

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Mai 2010

Übermalte Wandgemälde galten lange Zeit als unwiederbringlich verloren. Denn herkömmliche Verfahren eignen sich selten, um die verborgenen Werke schonend sichtbar zu machen. Mit Terahertz-Strahlen wollen Forscher die Malereien jetzt zerstörungsfrei »enthüllen«.

Viele Kirchengemälde bleiben der Nachwelt verborgen, weil sie im Lauf der Jahrhunderte übermalt wurden. Vor allem im 16. Jahrhundert verdeckten reformatorische Bilderstürmer die religiösen Wandmalereien. Doch auch in späterer Zeit wurden diese oftmals übermalt, und so überlagern heute mehrere Schichten die künstlerischen Fassungen unterschiedlicher Epochen. Mechanische Freilegungsmethoden bergen die Gefahr, das Originalwerk zu beschädigen. Auch die jüngeren, ebenfalls erhaltenswerten Schichten und Bilder über dem Original müssten zerstört werden. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff und Strahltechnik IWS in Dresden haben es sich jetzt zum Ziel gesetzt, die Werke mit einer zerstörungsfreien Untersuchungsmethode sichtbar zu machen. Dabei setzen die Experten auf die Terahertz-Strahlung (THz). In dem Projekt »TERAART« – gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF – arbeiten sie mit der TU Dresden, dem FIDA Potsdam und der Hochschule für Bildende Künste Dresden zusammen.

»Wir nutzen die THz-Strahlung, weil sie den Putz und die Tünche durchleuchten kann, selbst wenn diese Schicht relativ dick ist. Anders als beispielsweise UV-Strahlung ist die THz-Strahlung nicht schädlich für das Kunstwerk. Infrarotstrahlen kommen für unser Vorhaben nicht in Frage, ihre Eindringtiefe ist zu gering. Auch Mikrowellen sind keine Alternative, da sie unter anderem nicht die nötige Tiefenauflösung erreichen,« erläutert Dr. Michael Panzner, Wissenschaftler am IWS. Für die Untersuchungen wurde ein mobiles, überall einsetzbares System entwickelt. Es besteht aus einem Scanner mit zwei Messköpfen, der die Wand kontaktfrei abfährt. Ein Messkopf sendet die Strahlung aus, der andere empfängt die reflektierten Strahlen. Unterstützung bekamen die Forscher dabei vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, das die angepasste THz-Komponente aufbaute.

»Zum Erzeugen der THz-Strahlung verwenden wir einen Femtosekundenlaser mit dem Bauprinzip eines Faserlasers. Das von uns verwendete Verfahren der THz-Zeitdomänenspektroskopie nutzt die mit dem Femtosekundenlaser erzeugten, kurzen elektromagnetischen Pulse mit einer Dauer von ein bis zwei Picosekunden. Jede Schicht und jedes Pigment reflektiert diese Pulse anders, so dass sowohl ein Bildkontrast als auch eine Tiefeninformation gewonnen werden kann,« sagt Panzner. »Die Messergebnisse geben beispielsweise Auskunft über die Dicke der Schichten, um welche Pigmente es sich handelt und wie die Farben angeordnet sind. Eine eigens entwickelte Software setzt die Messergebnisse zu einem Bild zusammen, das die Struktur der verborgenen Malereien anzeigt.«

An einer Testwand, auf der Bilder verschiedener Farbtypen mit Tünche übermalt wurden, ist es den Wissenschaftlern bereits gelungen, die Strukturen der verdeckten Malereien zu enthüllen. Im nächsten Schritt steht der Praxistest in einer Kirche an. Die Experten sind zudem sicher, mit der THz-Strahlung auch krebserregende Biozide an und in Kunstobjekten aus Holz oder Textilien nachweisen zu können. »Denkmalschützer dürften ein großes Interesse an unserem ‘Körperscanner für Kunstwerke’ haben,« ist Panzner überzeugt.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Molekularer Grenzverkehr

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Presseinformation der LMU München vom 25.05.2010

Protein verknüpft wichtigste Schritte der Genexpression

Die Genexpression ist einer der elementaren Prozesse des Lebens. Dabei wird in einer Vielzahl von Einzelschritten die genetische Information in Proteine übertragen. Zunächst wird in der Transkription die genetische Information des Erbmoleküls DNA in das Botenmolekül mRNA übertragen, das dann den Zellkern verlässt. Denn erst im Zellinneren, dem Zytoplasma, wird anhand dieser Vorlage in der sog. Translation das kodierte Protein synthetisiert. Die LMU-Biologin Dr. Katja Sträßer untersucht, wie diese verschiedenen Schritte miteinander verbunden sind und wie diese Verbindungen die Genexpression effizienter machen. Zusammen mit ihren Mitarbeitern konnte sie nun nachweisen, dass das RNA-bindende Protein Sro9 die Transkription mit der Translation verknüpft. „Das Protein pendelt zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma hin und her“, sagt Sträßer. „Wir vermuten, dass Sro9 schon in der Transkription an das neu synthetisierte mRNA-Molekül bindet und mit diesem aus dem Zellkern exportiert wird, weil es auch für eine effiziente Translation benötigt wird. Sro9 würde damit die auf zellulärer Ebene weit entfernten Schritte der Transkription und Translation funktionell verbinden – und auf diese Weise eine effiziente Genexpression sowie eine Qualitätskontrolle ermöglichen.“ (RNA online, 21. Mai 2010)

Alle lebenden Zellen enthalten im Kern fadenförmige DNA-Moleküle, die aus Tausenden von Genen bestehen. Diese tragen die Bauinformation für Proteine, die Funktionsträger der Zelle. Doch der Weg von der genetischen Information zum Protein ist weit: Zunächst muss in der sogenannten Transkription das betreffende Gen in RNA übersetzt werden, eine der DNA nahe verwandte Nukleinsäure. Dabei entsteht das Botenmolekül mRNA, das die genetische Information aus dem Zellkern trägt, damit sie im Zytoplasma in das entsprechende Protein umgesetzt werden kann. Proteine wiederum sind die wichtigsten Funktionsträger der Zelle mit einer Vielzahl von Aufgaben, etwa als Enzyme und Transportmoleküle.

„Das wiederum macht die Genexpression zu einem der wichtigsten Prozesse allen Lebens“, betont Sträßer. „Bislang aber wurden Transkription und Translation nicht nur räumlich, sondern auch funktionell als weitgehend getrennte Prozesse gesehen.“ Mittlerweile weiß man, dass die mRNA, die bei der Transkription entsteht und in der Translation abgelesen wird, von einer Vielzahl von Proteinen bedeckt ist – die vermutlich auch bei späteren Schritten der Genexpression eine Rolle spielen. Es wird sogar vermutet, dass diese Proteine, etwa über ihre jeweils spezifische Zusammensetzung, auf einer ganz eigenen Ebene zur Regulation der Genexpression beitragen.

Vom Protein Sro9 war bekannt, dass es bei der Transkription, der Translation und der Stabilisierung der mRNA eine Rolle spielt. Sträßer und ihre Mitarbeiter konnten nun zeigen, dass Sro9 zu aktiv transkribierten Genen rekrutiert wird und zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma pendelt. „Nach unserem Modell bindet das Protein an das mRNA-Molekül schon während dessen Synthese, um diesen Vorgang zu unterstützen“, sagt Sträßer. „Mit dem Botenmolekül gelangt Sro9 aus dem Zellkern, um dann auch zur Translation beizutragen. Möglicherweise gehört Sro9 zur wachsenden Gruppe von Proteinen, die einzelne Prozesse der Genexpression im Zellkern mit denen im Zytoplasma verknüpfen. Die Kopplung verschiedener Schritte der Genexpression macht diese wiederum effizient – und ermöglicht eine Qualitätskontrolle.“ (suwe)

Publikation:
„Nucleocytoplasmic shuttling of the La-motif containing protein Sro9 might link its nuclear and cytoplasmic functions”,
Susanne Röther, Cornelia Burkert, Katharina M. Brünger, Andreas Mayer, Anja Kieser, and Katja Sträßer
RNA online, 21. Mai 2010
DOI: 10.1261/rna.2089110

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Blitzkuriere in der Zelle

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Pressemitteilung der TU München vom 20.05.2010

Warum Motorproteine eine Bremse haben

Jede einzelne unserer Zellen enthält so genannte Motorproteine, die wichtige Substanzen von einem Ort zum anderen transportieren. Doch darüber wie diese Transportvorgänge genau ablaufen ist bisher nur wenig bekannt. Biophysiker der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig Maximilians Universität München (LMU) konnten nun grundlegende Funktionen eines besonders interessanten Motorproteins aufklären. In der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (USA) berichten sie über ihre Ergebnisse.

Motorisierte Transportproteine sind einer der Schlüssel zur Entwicklung höherer Lebewesen. Erst durch ist es der Zelle möglich, wichtige Substanzen gezielt und schnell an einen bestimmten Ort in der Zelle zu liefern. Bakterien besitzen keine solchen Transportproteine, sie sind daher nicht in der Lage größere Zellen oder sogar große Organismen mit vielen Zellen zu bilden. Ganz besonders wichtig sind Transportproteine in den primären Zilien, den Antennen der Zellen, mit denen sie Informationen aus der Umgebung in die Zelle leiten.

Wie kleine Lastwagen auf einer Autobahn transportieren Kinesine zelluläre Materialien entlang von Proteinfasern, so genannten Mikrotubuli, die die gesamte Zelle durchziehen. Die Kinesine bestehen aus zwei langen, miteinander verdrillten Eiweißketten. Am einen Ende trägt jedes Protein einen Kopf, der an bestimmte Strukturen auf der Oberfläche der Mikrotubuli andocken kann, am anderen Ende wird die Fracht angehängt.

In den Zilien des Fadenwurms Caenorhabditis elegans sind ganz besondere Kinesine am Werk: Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Eiweißketten und eignen sich daher für die Untersuchung der Transportmechanismen besonders gut. Als Fracht hängten die Forscher kleine Kunststoffperlen an die Enden dieser Motorproteine. Mit einer “optischen Pinzette”, einem speziell profilierten Laserstrahl, können sie diese Perlen manipulieren.

Ein Ende des Proteinmoleküls wurde mit der optischen Pinzette fixiert, das andere konnte auf Mikrotubuli laufen. Auf diese Weise maßen die Wissenschaftler die Kraft, mit der das Motorprotein ziehen kann. In winzigen, acht Nanometer großen Schritten läuft das Kinesin-2 in dieser Versuchsanordnung mit seiner Fracht bis zu 1500 Nanometer weit. „Wenn wir es nicht festhalten würden, käme es vermutlich noch sehr viel weiter,“ sagt Zeynep Ökten, vom Institut für Zellbiologie der LMU.

Das untersuchte Kinesin-2 besteht aus einem KLP11- und einem KLP20-Protein. Indem sie die Köpfe der Ketten austauschten, konnten die Forscher zeigen, dass es sich bei KLP11, um ein nicht laufendes Motorprotein handelt. Erst in der Kombination mit dem KLP20 wird daraus ein Transportprotein. Bei weiteren Versuchen konnten sie klären, warum die Natur diese ungewöhnliche Kombination wählt: KLP20-Proteine haben keine „Bremse“. Ein Transportprotein aus zwei KLP20-Einheiten würde permanent laufen und Energie verbrauchen. Das KLP11 bringt dagegen einen Autoinhibierung genannten Mechanismus mit, der dafür sorgt, dass das Transportprotein still steht, wenn keine Fracht angebunden ist.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein molekularer Motor, will er in einer Zelle erfolgreich arbeiten, über den einfachen Transport hinaus eine Vielzahl an Funktionen übernehmen muss,“ sagt Professor Matthias Rief aus dem Physik-Department der TU München. Der Motor muss an- und abschaltbar sein, er muss zielgerichtet eine Last aufnehmen und diese am Ziel abgeben können. „Es ist beeindruckend wie die Natur es schafft, all diese Funktionen in einem Molekül zu vereinen. Hier ist sie allen Anstrengungen der modernen Nanotechnologie noch weit überlegen und dient uns allen als großes Vorbild.“

Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science Munich, der European Microbiology Organization, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Friedrich-Baur-Stiftung.

Original-Publikation:
Regulation of a heterodimeric kinesin-2 through an unprocessive motor domain that is turned processive by its partner, Melanie Brunnbauer, Felix Mueller-Planitz, Süleyman Kösem, Thi-Hieu Hoa, Renate Dombi, J. Christof M. Gebhardt, Matthias Rief, und Zeynep Ökten PNAS Early Edition, Week following May 17, 2010

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Gen lässt Blau nach Banane duften

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 21.05.2010

Frontiers in Neuroscience Behavior: Taufliegen-Larven können Licht riechen
Bochumer Forscher beobachten neuronales Netz

Bochumer Wissenschaftlern ist es gelungen, Taufliegen-Larven genetisch so zu verändern, dass sie blaues Licht riechen können. Die Forscher können einzelne der 28 Riech-Nervenzellen der Larven für diese Wahrnehmung aktivieren. Für die Tiere, die Licht normalerweise meiden, riecht blaues Licht dann nach Banane, Marzipan oder Klebstoff – alles Duftstoffe, die in verfaulendem Obst verkommen und für Fliegenlarven attraktiv sind. Blaulicht finden sie dann entsprechend anziehend. Die Bochumer und Göttinger Forscher um Prof. Dr. Klemens Störtkuhl versprechen sich davon Einsichten in die Verschaltung und die Funktionsweise des Gehirns. Sie berichten in der Internationalen Zeitschrift Frontiers in Neuroscience Behavior.

Licht riecht lecker

Die Riech-Nervenzellen der nur einen Millimeter kleinen genetisch veränderten Fliegenlarven sind alle in der Lage, das entsprechende Protein herzustellen, das durch Licht aktiviert wird. Welche der 28 Zellen schließlich licht-empfindlich wird, können die Forscher mit Hilfe von genetischen Markern frei wählen. „Wir konnten sowohl Zellen aktivieren, die normalerweise abstoßende Düfte wahrnehmen, was eine Schreckreaktion bei den Tieren auslöst, als auch solche, die attraktive Düfte wahrnehmen, wie Banane, Marzipan oder Klebstoff“, erklärt Prof. Störtkuhl. Die aktivierten Nervenzellen senden bei Bestrahlung mit blauem Licht der Wellenlänge 480nm ein elektrisches Signal – sie feuern. Die Larve hat so den Eindruck, Düfte wahrzunehmen. Das Experiment zeigt, dass sich Larven, bei denen Nerven-Zellen, die für attraktive Duftstoffe zuständig sind, lichtempfindlich gemacht wurden, auf das Licht zu bewegen, während genetisch unveränderte Larven Licht generell meiden.

Tiere werden nicht verletzt

Die Forscher können den Effekt außerdem elektrophysiologisch messen. Dünne Elektroden können das Signal der Licht-aktivierten Nervenzellen detektieren. So lässt sich die Verarbeitung des Nervensignals bis ins Gehirn weiterverfolgen und somit lassen sich neuronale Netze nicht-invasiv beobachten. „Der große Vorteil dieser Technik besteht darin, dass wir am lebenden Tier Tests durchführen können, ohne es zu verletzen“, sagt Prof. Störtkuhl. Die Forscher versprechen sich mit dieser neuen Technik weitere Einblicke in die Verschaltung und die Funktionsweise des Gehirns. Der Geruchssinn funktioniert bei den genetisch veränderten Fliegenlarven übrigens normal.

Gleiches Prinzip auch bei anderen Tieren

In weiteren Studien wollen die Forscher nach demselben Prinzip auch erwachsene Taufliegen mit den photoaktivierbaren Proteinen ausstatten, um in ihrem Gehirn einzelne Nervenzellen gezielt anregen zu können. Die hier erfolgreich eingesetzte Methode werden nun auch in anderen Laboren u.a. dann der RUB bei Mäusen etabliert werden, um ähnliche Fragestellungen beantworten zu können. (Meike Drießen)

Titelaufnahme:
Bellmann D, Richardt A, Freyberger R, Nuwal N, Schwärzel M, Fiala A and Störtkuhl KF (2010) Optogenetically induced olfactory stimulation in Drosophila larvae reveales the neuronal basis of odor-aversion behavior. Front. Behav. Neurosci. 4:27. doi:10.3389/fnbeh.2010.00027

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

Stammzellkontrolle bei Pflanzen: Ein Gen führt Regie

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Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 18.05.2010

Wissenschaftler untersuchen Wirkungsspektrum des Steuerungsgens „Wuschel“

Pflanzen müssen, um die eigene Fortpflanzung zu sichern, die Zahl ihrer Stammzellen genau ausbalancieren. Das für diese Aufgabe wichtigste Gen haben Forscher aus Heidelberg, Tübingen und Santa Fe (Argentinien) bei Experimenten an einem Modellorganismus der Biologie, der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, detailliert untersucht. Das Team um Prof. Dr. Jan Lohmann von der Universität Heidelberg konnte zeigen, wie dieser „Regisseur“ arbeitet und welche anderen molekularen Akteure von ihm beeinflusst werden. Dabei sind auch überraschende Gemeinsamkeiten mit der Stammzellkontrolle bei Tieren zutage getreten. Die Forschungsergebnisse werden heute in „Developmental Cell“ veröffentlicht.

Im Fokus der Arbeiten stand ein als „Wuschel“ bezeichnetes Steuerungsgen, dessen entscheidende Bedeutung für die Stammzellkontrolle bereits vor 14 Jahren entdeckt wurde. „Wuschel ist der zentrale Schalter, über den Pflanzen die Anzahl ihrer Stammzellen regulieren“, erläutert Prof. Lohmann, der die Abteilung für Stammzellbiologie an der Universität Heidelberg leitet. Die Biologen konnten nun fast 700 Gene ausmachen, deren Aktivität von Wuschel abhängt. Rund 130 davon stehen offenbar direkt unter der Kontrolle dieses zentralen Schalters: Als sogenannter Transkriptionsfaktor heftet sich Wuschel an regulatorische Bereiche der DNA, die diese Gene direkt anschalten oder stilllegen können. Dabei handelt es sich vor allem um Gene, die für den Stoffwechsel der Pflanze, für ihre Entwicklung und für ihren Hormonhaushalt zuständig sind.

Diese Aufgabenverteilung bestätigt zunächst das bisherige Bild der pflanzlichen Stammzellkontrolle. „Es ist bekannt, dass neben genetischen Faktoren auch wachstumsfördernde Hormone wie Auxin und Cytokinin daran mitwirken, die Zahl der Stammzellen zu regulieren“, sagt Prof. Lohmann. Die Heidelberger Experimente, die in das Exzellenzcluster „Cellular Networks“ der Ruperto Carola eingebunden sind, bieten jedoch auch eine Vielzahl neuer Einblicke. So hat sich gezeigt, dass Wuschel nicht nur – wie bereits nachgewiesen – die Aktivität von Cytokinin beeinflusst, sondern auch auf den zweiten hormonellen Hauptakteur, Auxin, einwirkt. Eine wesentliche Aufgabe des Wuschel-Gens besteht demnach darin, die feine Balance zwischen diesen beiden Hormonen in der Sprossspitze der Pflanzen aufrechtzuerhalten.

Mit ihrer Arbeit weisen die Heidelberger Biologen dem Wuschel-Gen eine klare Rolle zu: In den Wachstumszonen der Pflanze stimmt es die Wirkung frei zirkulierender Hormone so auf die lokalen Bedürfnisse ab, dass Stammzellen gedeihen können. „Erst solche Mechanismen machen es möglich, dass ein und dasselbe Hormon in verschiedenen Geweben unterschiedliche Wirkungen entfaltet“, sagt Jan Lohmann. Die umfangreiche Analyse hat auch gezeigt, dass Wuschel ähnlich arbeitet wie tierische Transkriptionsfaktoren, die an der Entstehung und Erneuerung von Stammzellen beteiligt sind. Dabei nutzt das Steuerungsgen teilweise auch identische DNA-Bereiche als Ankerpunkt. „Die Mechanismen der Stammzellkontrolle sind ähnlicher als wir gedacht haben“, betont Prof. Lohmann.

Originalveröffentlichung:
W. Busch, A. Miotk, F.D. Ariel, Z. Zhao, J. Forner, G. Daum, T. Suzaki, C. Schuster, S.J. Schultheiss, A. Leibfried, S. Haubeiß, N. Ha, R.L. Chan, and J.U. Lohmann: Transcriptional Control of a Plant Stem Cell Niche, Developmental Cell 18, 849-861, May 18, 2010, doi:10.1016/j.devcel.2010.03.012

Externer Link: www.uni-heidelberg.de