Archiv des Monats: Juli 2010

Saarbrücker Informatiker entwickeln Verfallsdatum für digitale Daten

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 15.07.2010

Wenn früher in Zeitungsartikeln oder Leserbriefen über Personen berichtet wurde, so verschwanden diese Angaben bald in den Archiven und waren nur noch schwer zugänglich. Heute ist alles anders, weil das Internet nichts vergisst und vieles gleich mehrfach abspeichert. Wer private Daten auf einer Webseite löscht, weiß daher noch lange nicht, ob sie damit aus dem Internet verschwunden sind. Saarbrücker Informatiker haben jetzt ein System entwickelt, mit dem jeder Computerlaie seine Dateien und Bilder mit einem Verfallsdatum versehen kann, bevor er diese ins Internet stellt. Dank einer neuartigen Kombination aus Verschlüsselungstechnik und so genannten Captchas werden die Daten und ihre vielfältigen Kopien nach Fristablauf automatisch gelöscht.

„Unser System sieht im Kern vor, dass man Daten, die jemand im Internet veröffentlichen möchte, erst verschlüsselt. Den Schlüssel, den man zum Lesen der Daten benötigt, legen wir auf mehreren Servern ab“, erklärt Michael Backes, Professor für Informationssicherheit und Kryptographie der Universität des Saarlandes. Diese Server könnten künftig von vertrauenswürdigen Organisationen zur Verfügung gestellt werden, so dass jeder Benutzer die Wahl habe, wo er seine Schlüssel lagern möchte. Wenn jemand dann die Daten auf den Webseiten abrufen will, muss der betreffende Rechner dafür erst den Schlüssel anfordern. „Diese Abfrage und die eigentliche Ver- und Entschlüsselung geschieht vollautomatisch im Hintergrund, ohne dass der Benutzer aktiv werden muss“, sagt Backes.

Für den Internetnutzer ist ein solches System einfach zu bedienen und nur mit einmaligem, sehr geringem Aufwand verbunden. Notwendig ist lediglich ein Programm-Zusatz (Add-on) für einen der gängigen Internet-Browser. „Wer zum Beispiel sicher gehen will, dass ein Partybild im sozialen Netzwerk nach ein paar Monaten verschwindet, gibt einfach schon beim Hochladen des Fotos ein Verfallsdatum ein“, sagt Michael Backes. Der Server, auf dem die Schlüssel für die Daten gespeichert sind, merkt sich dieses Datum und löscht dann nach Ablauf der Frist alle herausgegebenen Schlüssel. Dadurch können die Daten auf den Webseiten nicht mehr aufgerufen werden. „Ziel unserer Forschungen ist es, dass jeder Einzelne die Kontrolle über seine Daten behält. Dazu zählt, dass nicht jeder automatisch Zugriff auf alle Daten erhält und man einmal veröffentlichte Bilder auch wieder löschen kann“, sagt der Informatik-Professor.

Nach Meinung von Michael Backes muss ein in der Praxis wirksames System die Hürde vor allem für die großen Suchmaschinen wie Google oder Yahoo sehr hoch setzen, die nach dem Motto „Durchsuche alles, speichere alles und stelle es mehrfach zu Verfügung“ (Caching) verfahren. Eine solche vollautomatische Speicherung aller Daten stellt einen der Hauptgründe dar, dass Daten nicht vergessen werden  Mit seinen Mitarbeitern Markus Dürmuth und Sebastian Gerling hat der Saarbrücker Forscher daher noch eine zweite Sicherheitsstufe in das System eingebaut, um den Ansatz praxistauglich zu machen. Dafür werden so genannte Captchas verwendet, das ist eine Art Puzzle, das der Mensch recht einfach lösen kann, aber ein Rechner nicht automatisch zu entziffern weiß.

„Wer zum Beispiel ein privates Video auf einer Webseite betrachten oder eine private Fotosammlung anschauen will, muss mit Hilfe des Captchas eine Buchstabenfolge manuell eingeben“, erklärt Backes. Für Unternehmen, die viele Daten im Internet sammeln, wäre es nur mit großem Mehraufwand möglich, eine Vielzahl dieser Captchas zu lösen. „Die Daten können durch unser System daher nur noch mit einem hohen kommerziellen Aufwand in großem Maßstab gespeichert werden“,  betont Backes. Damit könnte die Privatsphäre der einzelnen Internetnutzer noch besser geschützt werden.

Externer Link: www.uni-saarland.de

CSI im Dienst der Cellulose-Synthese

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 14.07.2010

Neu entdecktes Protein ist an der Bildung von Cellulose beteiligt

Getreide, Gemüse und Obst sind wichtige Energielieferanten der menschlichen Ernährung. Den Hauptbestandteil von Pflanzen – die Cellulose in der Zellwand – können wir allerdings gar nicht verwerten. Selbst bei Wiederkäuern, die Cellulose verdauen können, spielt die Verdaulichkeit der Zellwand eine entscheidende Rolle für die Futterverwertung. Wissenschaftler arbeiten deshalb daran, pflanzliche Zellwände zur Energiegewinnung zu nutzen und die Verdaulichkeit von Futter zu erhöhen. Dafür müssen sie zunächst verstehen, wie Pflanzenzellen ihre Zellwand aus Cellulose aufbauen und welche Gene und Proteine daran beteiligt sind. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm haben nun zusammen mit Kollegen aus den USA ein bislang unbekanntes Protein entdeckt, das zur Cellulose-Produktion benötigt wird. (PNAS, 1. Juli 2010, online vorab veröffentlicht)

Pflanzliche Zellen besitzen im Unterschied zu Zellen von Tieren eine Zellwand aus verschiedenen Zuckerpolymeren, deren Hauptbestandteil Cellulose ist. Sie gibt der Pflanze ihre Stabilität, schützt sie vor Krankheitserregern und ist an der Samenkeimung und der Fruchtreife beteiligt. Pflanzen bestehen zu 35 bis 50% ihres Trockengewichts aus Cellulose – es ist damit das häufigste Biopolymer der Erde.

Cellulose wird durch einen Protein-Komplex direkt an der Plasmamembran synthetisiert. Die einzige bisher bekannte Komponente dieses Komplexes ist die Cellulose-Synthase (CESA). Dieses Enzym kommt in Pflanzenzellen in verschiedenen Formen mit jeweils unterschiedlichem Aufbau vor. Genetische Studien weisen darauf hin, dass drei dieser Formen – CESA1, CESA3 und CESA6 – für die Synthese der primären Zellwand benötigt werden, während CESA4, CESA7 und CESA8 für die Synthese der sekundären Zellwand erforderlich sind. Die primäre Zellwand bildet sich während des Zellwachstums und ist besonders flexibel und dehnbar. Die sekundäre Zellwand entsteht dagegen nach Abschluss des Wachstums und ist dicker und starrer ist als die primäre Zellwand.

Bislang war unbekannt, aus wie vielen CESA-Formen der Proteinkomplex besteht und ob noch weitere Proteine darin enthalten sind. Wissenschaftler um Staffan Persson am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA das Cellulose Synthase-Interactive Protein – CSI1 – identifiziert, das an der Cellulose-Synthese beteiligt ist. CSI1 scheint mit dem CESA-Komplex verbunden zu sein, denn es interagiert mit den Cellulose-Synthasen der primären Zellwand (CESA1, 3 und 6). Die Forscher konnten zeigen, dass das Protein eine wichtige Rolle bei der Bildung von Cellulose spielt. „Pflanzen, die aufgrund einer Mutation kein CSI1 bilden können, produzieren nachweislich weniger Cellulose. Sie haben verkürzte und geschwollene Wurzeln und ihre Pollenkörner fallen in sich zusammen“, erklärt Staffan Persson.

Welche Funktion CSI1 bei der Cellulose-Synthese hat, wissen die Wissenschaftler allerdings noch nicht. Sie vermuten, dass das Protein die Geschwindigkeit der Cellulose-Produktion und die räumliche Ausrichtung der einzelnen Cellulose-Fibrillen beeinflusst. Deshalb wollen die Forscher als nächstes die genaue Rolle von CSI1 untersuchen. Die Erkenntnisse aus diesen weiterführenden Untersuchungen werden zu einem verbesserten Verständnis der Biosynthese von Zellwänden beitragen. Dieses Wissen könnte die Chancen auf eine bessere Zellwandverdaulichkeit in der Tierfütterung oder die Nutzung von Zellwänden zur Energiegewinnung erhöhen. [URS]

Originalveröffentlichung:
Ying Gu, Nick Kaplinsky, Martin Bringmann, Alex Cobb, Andrew Carroll, Arun Sampathkumar, Tobias I. Baskin, Staffan Persson und Chris R. Somerville
Identification of a cellulose synthase-associated protein required for cellulose biosynthesis
PNAS, 1. Juli 2010, online vorab veröffentlicht (doi: 10.1073/pnas.1007092107)

Externer Link: www.mpg.de

TUM präsentiert Fahrzeugkonzept für die urbane Elektromobilität

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Pressemitteilung der TU München vom 13.07.2010

Erstes Projekt des Wissenschaftszentrums Elektromobilität:

Eine wesentliche Säule unserer derzeitigen individuellen Mobilität ist günstig verfügbares Öl. Doch schon in naher Zukunft steht es nicht mehr in ausreichendem Maße und zu bezahlbaren Preisen zur Verfügung. Dann ist der Elektroantrieb Schlüssel zu einer nachhaltigen individuellen Mobilität. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben daher ein Fahrzeugkonzept entwickelt, das alle Aspekte der Elektromobilität in einem umfassenden Ansatz neu denkt und optimiert. Ergebnis ist ein konkurrenzfähiges Fahrzeug, das schon in naher Zukunft große Teile der urbanen Mobilität abdecken könnte.

Wenn Erdölprodukte in naher Zukunft knapper und erheblich teurer werden, dann ist die Elektromobilität der Schlüssel dazu, die individuelle Mobilität weiterhin gewährleisten zu können. Aufgrund nicht zufriedenstellend lösbarer technischer Herausforderungen und mangelnder Kundennachfrage erreichte allerdings keines der bisher entwickelten Konzepte einen nennenswerten Marktanteil. Hauptsächlich durch Fortschritte in der Batterietechnologie sind seit ein paar Jahren Fahrzeuge wie beispielsweise der Tesla Roadster verfügbar, die eindrucksvoll zeigen, dass Elektromobilität und zeitgemäße Fahrleistungen prinzipiell miteinander vereinbar sind. Das Problem der Verfügbarkeit von Elektromobilität für breite Bevölkerungsschichten wird durch solche Fahrzeuge allerdings nicht gelöst.

20 Lehrstühle des Wissenschaftszentrums Elektromobilität der Technischen Universität München haben sich nun zusammengeschlossen, um an einem Pilotprojekt zu zeigen, dass in naher Zukunft bezahlbare Elektromobilität auch für die Massenanwendung funktioniert. Das Projekt trägt den Namen MUTE (engl.: gedämpft, leise). Zum ersten Mal werden hier in einem umfassenden Forschungsansatz technische Herausforderungen mit sozioökonomischen Rahmenbedingungen verknüpft. Das daraus resultierende kostengünstige und innovative Fahrzeugkonzept für den Einsatz im städtischen Großraum und dessen Umland soll 2011 als erster fahrbarer Prototyp auf der IAA in Frankfurt vorgestellt werden.

Eine große Herausforderung an die Elektromobilität stellt derzeit die im Vergleich zu Benzin wesentlich geringere Energiedichte elektrischer Energiespeicher. Gleichzeitig ist der Akkumulator der größte Kostenfaktor. Eine deutliche Reduzierung der Kosten bei gleichbleibender Reichweite des Fahrzeugs ist vor allem über die Minimierung des Gesamtfahrzeuggewichts zu erreichen. Auch ein geringer Rollwiderstand und eine gute Aerodynamik tragen ihren Teil dazu bei. Hierdurch können Größe und Leistung der für ein Elektrofahrzeug kostenintensiven Komponenten, wie beispielsweise Akku, Antriebsmaschine und Leistungselektronik, niedrig gehalten werden. Das MUTE-Team entwickelt daher ein Elektrokleinfahrzeug der Klasse L7E (max. Leergewicht 400kg, max. Antriebsleistung 15kW).

Als Energiespeicher nutzt MUTE einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem neu entwickelten Batteriemanagement und innovativem Sicherheits- und Kühlsystem. Die Reichweite wird durch die Integration eines elektrischen Range-Extenders erhöht. Eine mögliche Variante ist die Verwendung einer Zink-Luft-Batterie. Ein ganzheitliches Energiemanagement ermöglicht eine effiziente Verteilung der Energie im Fahrzeug sowie ein optimales Nachladen der Batterie.

Ein innovativer differentialbasierter Antrieb mit Torque-Vectoring-Einheit erhöht die Fahrsicherheit und verbessert die Energierückgewinnung beim Bremsen. Das Betriebsverhalten des Elektromotors ist speziell auf die Anforderungen an ein Stadtfahrzeug der Klasse L7E (Gewicht, Betriebspunkte) ausgelegt ist. Trotz seiner sparsamen 15 kW beschert diese Kombination dem leichten Fahrzeug eine sportliche Beschleunigung und eine Höchstgeschwindigkeit von immerhin 120 km/h. Betrieben mit Strom aus dem heutigen deutschen Stromnetz, entspricht sein Kohlendioxid-Ausstoß 42g/km. Im Rahmen des Projekts werden aber auch Szenarien entwickelt, wie das Fahrzeug zu 100 Prozent mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden kann.

Auch bei der Sicherheit kann MUTE mit seinen in der Regel sehr viel schwereren Konkurrenten mithalten. Ein integrales Sicherheitskonzept, das unter anderem leichte und kostengünstig produzierbare CFK-Crashsysteme und Airbags einsetzt, schafft ein hohes Sicherheitsniveau. Eine Mobilfunkanbindung des Fahrzeugs an einen zentralen Server ermöglicht es, IT-basierte Mehrwertdienste anzubieten. Für die Elektromobilität sind dies Services wie etwa Sicherheitsfunktionen durch Verkehrslagedaten verschiedener Fahrzeuge, eine energieoptimale Routenführung, eine adaptive Reichweitenprognose oder eine flexible Anpassung der Ladestrategie. Aufgrund der Client-Server-Infrastruktur sind diese Mehrwertdienste für den Kunden personalisiert einsetzbar und nachträglich in das Fahrzeug integrierbar.

Heutige Automobile sind in der Regel für verschiedenste Einsatzfälle ausgelegt, von der langsamen Kurzstrecke bis hin zur schnellen Langstreckenfahrt. Im urbanen Bereich, der durch Kurzstreckeneinsatz mit ein bis zwei zu transportierenden Personen und wenig Gepäck geprägt ist, wäre der Elektroantrieb schon in absehbarer Zeit konkurrenzfähig einsetzbar; im Kurzstreckenlieferverkehr rechnet er sich schon heute. Ausgehend von Marktforschungsanalysen realisiert das MUTE-Projekt für die urbane Mobilität sozioökonomisch vorteilhafte Angebote. Dabei sind Konzepte für den Einsatz von Elektrofahrzeugen für den individuellen Transfer zwischen zwei Orten (Car-on-Demand) oder Konzepte mit einer Kopplung des öffentlichen Nahverkehrs und des Individualverkehrs mit Elektrofahrzeugen angedacht.

In den kommenden zwölf Monaten soll das MUTE-Fahrzeugkonzept den Stand eines serienfähigen Prototyps erreichen, der anschließend von Industriepartnern zu einem marktfähigen Angebot weiterentwickelt werden kann. Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Innovationen werden von den beteiligten Industriepartnern zu marktfähigen Lösungen weiterentwickelt. Mit der Realisierung des Fahrzeugs- und des Mobilitätskonzepts MUTE schaffen die Wissenschaftler neue Ansätze für weitere Forschungsthemen an der TU München auf dem Gebiet der Elektromobilität, die mit dem Fahrzeug als Demonstrator untersucht werden können.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Wissenschaftler entschlüsseln Genom von Weißfäulepilz

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 12.07.2010

Forschungsergebnisse könnten Folgen für die Produktion erneuerbarer Energien haben

(pug) Wissenschaftler einer internationalen Forschergemeinschaft unter Beteiligung der Universität Göttingen haben erstmals das Genom des Spaltblättlings entschlüsselt. Der Spaltblättling oder das Gemeine Spaltblatt (Schizophyllum commune) ist ein weltweit verbreiteter Weißfäulepilz, der zur Klasse der so genannten Hutpilze gehört. Er wächst meist auf totem Holz wie den abgebrochenen Ästen und zerfallenden Stämmen vieler verschiedener Baumarten und baut das Holz ab, befällt manchmal aber auch lebende Bäume. Das Joint Genome Institute des US-amerikanischen Energieministeriums hatte die DNA-Sequenz des Pilzgenoms erstellt und den Wissenschaftlern zur weiteren Untersuchung überlassen. Die Forscher fanden heraus, dass sich der Spaltblättling in der Anzahl und Art seiner Enzyme wesentlich von anderen Hutpilzen unterscheidet. Die Ergebnisse der Studie wurden am Sonntag, 11. Juli 2010, in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Biotechnology“ im Internet veröffentlicht.

Weißfäulepilze bauen die energiereiche Lignozellulose im Holz ihrer Wirtspflanzen mithilfe von Enzymen ab. Der Pilz greift zuerst das störende Lignin an und zerlegt dann zur Nahrungsbeschaffung die Zellulose in kleinere Zuckereinheiten. Der Spaltblättling scheint für diese Aufgabe besonders gut ausgestattet zu sein – er verfügt über mehr als 360 Gene zur potenziellen Bildung wichtiger Enzyme unterschiedlicher Klassen für den Abbau der Zellulose und anderer energiereicher Kohlehydrate (wie Hemizellulose und Pektin) in den verholzten Zellwänden. Andere holzabbauende Hutpilze besitzen im Vergleich dazu weniger als die Hälfte solcher Enzyme. Die hohe Anzahl von Enzymen ermöglicht vermutlich eine optimale Anpassung des Spaltblättlings an viele verschiedene Hölzer und deren spezifische chemische Eigenheiten.

Die Entschlüsselung dieses Systems im Spaltblättling könnte weitreichende Folgen für die Produktion erneuerbarer Energien haben: Aus Zellulose gewonnene Zuckereinheiten können in biotechnologischen Verfahren als Rohstoff zur Herstellung von Bioethanol dienen. Erste Verfahren zur enzymatischen Produktion von Zuckereinheiten (und nachfolgend Bioethanol) sind für Lignozellulose aus leicht abbaubarem Stroh entwickelt worden. Bislang gibt es aber keine biotechnologischen Systeme, um das sehr energiereiche, aber gegen Abbau sehr viel resistentere Holz effizient und in guten Ausbeuten in Zuckereinheiten zu zerlegen. Enzyme von Pilzen wie dem Spaltblättling, die durch Evolution speziell an den Abbau von Holz angepasst wurden, könnten da Abhilfe schaffen. Wissenschaftler in der Göttinger Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ursula Kües und weltweit arbeiten deshalb aktiv an der Entwicklung enzymatischer Verfahren, um künftig den Kraftstoff Bioethanol kostengünstig und umweltfreundlich in großen Mengen aus dem nachwachsenden Rohstoff Lignozellulose herzustellen.

Originalveröffentlichung:
Ohm et al.: Formation of mushrooms and lignocellulose degradation encoded in the genome sequence of Schizophyllum commune. Nature Biotechnology. DOI: 10.1038/nbt.1643.

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Die Anziehungskraft des Goldes

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Presseinformation der LMU München vom 07.07.2010

Elektrische Spannung reguliert Bindung von DNA

Zwei Wege führen in die Welt der winzigen Nanostrukturen: entweder zerteilen Wissenschaftler größere Verbindungen oder sie bauen die Gebilde aus kleinsten Bausteinen neu auf. Dazu müssen sie die einzelnen Elemente jedoch greifen und vor allem auf den Nanometer genau wieder ablegen können. Biophysiker der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie einzelne DNA-Moleküle auf einer Goldelektrode exakt positionieren können, ohne dass sie die DNA oder die Goldoberfläche aufwendig vorbehandeln müssen. Die Wissenschaftler um Hermann Gaub, Professor für Biophysik an der LMU München und Mitglied des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM), nutzen dazu die Elektrochemie. Über die Spannung, die an der Goldelektrode anliegt, können die Forscher per Knopfdruck entscheiden, ob die DNA mit den Goldatomen eine chemische Bindung eingeht oder nicht: Bei negativer Spannung bindet das Molekül, bei positiver Spannung bindet es nicht. (Nature Chemistry online, 5. Juli 2010)

Für ihre Versuche nehmen die Biophysiker mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskopes (AFM) kurze doppelsträngige DNA-Moleküle auf und berühren damit an der gewünschten Stelle die Goldelektrode. Vorsichtig wird anschließend die Spitze wieder von deren Oberfläche abgehoben. Um zu sehen, wie stark die Bindung zwischen DNA und Gold ist, messen die Wissenschaftler, wie viel Kraft notwendig ist, um das Molekül abzulösen. Diese Kräfte sind mit weniger als einem Nano-Newton (nN=10-9 Newton) äußerst klein und nur mit Hilfe des AFM nachweisbar. So ist beispielsweise die Haftkraft eines Spinnenbeines an einer Wand Bionik-Forschern zufolge rund drei Millionen Mal höher.

Bei ihren Experimenten stellten die Münchner Nanotechnologen fest, dass das von Natur aus negativ geladene DNA-Molekül erstaunlicherweise an eine ebenfalls negativ geladene Elektrode bindet. Von einer positiv geladenen Elektrode wird es jedoch abgestoßen. Die Erklärung liefern die Magnesium-Ionen, die in der Versuchslösung enthalten sind. Sie erleichtern durch ihre zweifach positive Ladung als eine Art Vermittler der DNA den Zugang zur Elektrode. Zudem können die DNA-Moleküle nur an reduzierte Goldatome binden, wozu ebenfalls eine negative Spannung anliegen muss. Um den Bindemechanismus aufzuklären, setzten die Wissenschaftler statt eines DNA-Stückes nur die einzelnen Nukleotide Thymidin und Adenosin ein, beides Bausteine des Erbmoleküls.

Thymidin besitzt als einziges Nukleotid keine primäre Amin-Gruppe (-NH2). Während Adenosin fest am Gold haften blieb, konnte Thymidin aber ohne Kraftaufwand wieder von der Oberfläche abgehoben werden. Diese und andere Beobachtungen beweisen, dass die Nukleotide mit ihrer primären Aminogruppe an die Goldatome binden. Welche Auswirkungen die neue Methode in der Nanotechnologie haben könnte, zeigt die korrespondierende Autorin der Arbeit, Dr. Ann Fornof, auf: „Die Möglichkeit, einzelne DNA-Stücke extern kontrollierbar auf eine Oberfläche zu binden, liefert ein neues Werkzeug um gezielt Nanostrukturen aufzubauen oder DNA zu immobilisieren. Es ist gut vorstellbar, dass diese elektrisch kontrollierte Adhäsion für eine Reihe von Anwendungen nützlich sein wird: vom Einsatz in Biosensoren bis zur Positionierung von größeren Konstrukten wie DNA-Origami. (NIM)

Publikation:
„Electrically induced bonding of DNA to gold“;
Matthias Erdmann, Ralf David, Ann R. Fornof und Hermann E. Gaub;
Nature Chemistry; published online: July 5, 2010.
DOI: 10.1038/NCHEM.722

Externer Link: www.uni-muenchen.de