Archiv für den Monat August 2010

Präzisionsmessungen für das Kraftwerk der Zukunft

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Presseaussendung der TU Wien vom 23.08.2010

Mit einer der präzisesten Waagen der Welt wird am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien Kernfusionsforschung betrieben.

Wien (TU). – Eine saubere, umweltfreundliche, praktisch unerschöpfliche Energiequelle: Kernfusion zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden, gehört seit Jahrzehnten zu den großen Träumen der Wissenschaft. Noch immer ist es allerdings nicht gelungen, einen Fusionsreaktor zu konstruieren, der den enormen Energieflüssen aus dem extrem heißen Fusionsplasma standhält. Zur Erforschung dieses technischen Problems wurde am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien eine ganz besondere Messmethode entwickelt: Eine der präzisesten Waagen der Welt.

Zukunftshoffnung Kernfusion

In Cadarache (Südfrankreich) wird derzeit an einem internationalen Forschungsreaktor gebaut – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines Fusionskraftwerks, doch auch dort wird man wieder auf bereits bekannte Probleme stoßen: Um die Kernfusion in einem Reaktor aufrechterhalten zu können, sind Temperaturen von mehreren hundert Millionen Grad nötig. Bei dieser Hitze können geladene Teilchen (Ionen) aus dem Fusionsplasma mit so hoher Energie auf die Wand des Reaktors einschlagen, dass diese Wand rasch zerstört wird. „Die Wechselwirkung der Teilchen aus dem Plasma mit den Reaktorwänden muss genau untersucht werden, wenn wir einen Weg finden wollen, dauerhaft stabile Fusionsreaktoren zu konstruieren“, meint Prof. Friedrich Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

Oberflächenanalyse mit der Mikrowaage

In der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik, die Prof. Aumayr leitet, werden die Bedingungen im Wandbereich eines Fusionsreaktor experimentell nachgestellt. Im Labor lässt sich so die Auswirkung der energetischen Ionen auf Festkörperoberflächen viel genauer studieren, als das im Inneren eines Fusionsreaktors möglich wäre. Besonders hilfreich ist dabei eine von Prof. Michael Schmid am Institut entwickelte Quarz-Mikrowaage: Ein Stück des Oberflächenmaterials, das im Fusionsreaktor verwendet werden soll, wird mit energetischen Teilchen beschossen, und dabei wird seine Gewichtsänderung durch diese Quarz-Mikrowaage äußerst präzise gemessen. So stellt man fest, ob das Teilchenbombardement Atome aus dem Oberflächenstück herausschlägt (Zerstäubung) und seine Masse abnimmt, oder ob im Gegenteil die Projektile in die Oberfläche eingelagert werden (Implantation) und so die Masse des untersuchten Oberflächenstückes vergrößern.

Rekordverdächtige Genauigkeit

Die Mikrowaage, die an der TU entwickelt wurde, ist eine der präzisesten Waagen der Welt: „Masseänderungen von etwa einem Milliardstel Gramm können damit noch gemessen werden“, erklärt Katharina Dobes, Projektassistentin am Institut für Angewandte Physik. Selbst wenn durch das Teilchenbombardement nur eine einzelne Atomschicht von der Oberfläche abgetragen wird, kann die Mikrowaage den minimalen Masseunterschied messen, der sich daraus ergibt.

Die Grundidee, die diese herausragende Präzision ermöglicht, ist eigentlich recht einfach: Ein Quarzkristall wird in hochfrequente Schwingung versetzt und seine Eigenfrequenz wird gemessen. Diese Eigenfrequenz hängt von der Masse des Kristalls ab. Beschichtet man ihn mit dem für die Reaktoroberfläche vorgesehenen Material und beschießt dieses mit Teilchen, kann man aus der Eigenfrequenz des schwingenden Kristalls direkt die Massenänderung der Beschichtung ablesen, und somit feststellen, welchen Einfluss der Teilchenbeschuss auf die Oberfläche hat.

Der Anwendungsbereich dieser ultra-genauen Messmethode beschränkt sich nicht nur auf die Fusionsforschung. „Bei der Wechselwirkung von Teilchen mit Oberflächen spielen viele quantenphysikalische Phänomene eine Rolle. Im Bereich der Oberflächenphysik gibt es sicher noch eine ganze Menge von spannenden, grundlegenden Fragen zu untersuchen“, ist Prof. Aumayr sicher. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Saubere Luft durch Pflastersteine

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom August 2010

In deutschen Städten werden die zulässigen Grenzwerte für das gesundheitsschädliche Stickoxid regelmäßig überschritten. Einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz sollen jetzt neuartige Pflastersteine leisten. Sie sind mit Nanopartikeln aus Titandioxid beschichtet und können Stickoxidkonzentrationen in der Luft reduzieren.

Um die Luftqualität in Deutschland ist es nicht zum besten bestellt. Das belegen die Daten des Umweltbundesamts für das Jahr 2009: An 55 Prozent der Luftmessstationen in Städten wurden die zulässigen Grenzwerte von gesundheitsschädlichem Stickoxid überschritten. Eine der Hauptemissionsquellen ist laut Umweltbundesamt der Autoverkehr. Neue Wege im Kampf gegen die Luftverschmutzung geht jetzt die Barockstadt Fulda. Rund um die Petersberger Straße, wo der Jahresgrenzwert von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft (μg/m3) 2009 überschritten wurde, sollen luftreinigende Pflastersteine verlegt werden. Deren Oberflächen sind mit Titandioxid (TiO2) beschichtet, das Schadstoffe wie Stickoxide in Nitrate umwandelt. Das Titandioxid als Photokatalysator nutzt für diesen chemischen Prozess das Sonnenlicht. Das heißt, es verändert die Geschwindigkeit der Reaktion unter Lichteinfluss. Entwickelt wurde das Stickoxid reduzierende Pflaster namens AirClean von der Firma F.C. Nüdling Betonelemente. Den Beleg über die Wirksamkeit der Steine lieferte das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Schmallenberg. Die IME-Forscher haben auch das Umweltrisiko des entstehenden Produkts Nitrat ermittelt. Gefördert wurde das Projekt durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt.

»Dass photokatalytische Pflastersteine die Luftqualität verbessern können, haben bereits Untersuchungen in italienischen Städten ergeben. Wir wollten prüfen, inwieweit diese Effekte auch in Deutschland – bei geringerer Lichtintensität und Sonnenscheindauer – gemessen werden können. Denn je intensiver die Sonneneinstrahlung ist, desto schneller erfolgt der Abbau der Schadstoffe. Ziel war es also, eine Rezeptur mit der höchsten photokatalytischen Effizienz zu finden«, erläutert Dr. Monika Herrchen, Wissenschaftlerin am IME.

Zunächst fertigte der Betonhersteller Mustersteine, wobei Oberfläche, Farbe, Zementsorte und TiO2-Gehalt variiert wurden. Da die Abbauraten von Stickoxid mit handelsüblichem photokatalytisch aktivem, also auf Sonneneinstrahlung reagierenden Zement nicht ausreichend waren, musste die Firma F.C. Nüdling eine eigene, wirksamere Rezeptur entwickeln. »In verschiedenen Tests konnten wir die Wirksamkeit der optimierten Steine belegen«, bestätigt Herrchen. Im Langzeitfeldversuch wiesen die Forscherin und ihr Team in eigens angelegten Straßenschluchten Stickoxid- Abbauraten von 20 bis 30 Prozent nach. Die Messungen erfolgten in einer Höhe von drei Metern über dem photokatalytischen Pflaster bei wechselnden Wind- und Helligkeitsverhältnissen. Bei Windstille stellten die Experten sogar Abbauraten für Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) von jeweils bis zu 70 Prozent fest.

Bei Messungen am bereits mit dem Pflasterstein AirClean belegten Gothaer Platz in Erfurt wurde in drei Metern Höhe eine durchschnittliche Abbaurate von 20 Prozent bezüglich NO2 und 38 Prozent bezüglich NO erreicht.

»Die Pflastersteine sind auch langzeitstabil. Im Zeitraum von 14 bis 23 Monaten nach dem Verlegen des Bodens konnten wir keine Veränderung der anfänglichen Abbaukapazität feststellen«, sagt die Wissenschaftlerin. Auch ein Umweltrisiko durch Nitrat, das beim photokatalytischen Abbau von Stickoxiden entsteht, bestehe nicht. Es gelangt in die Kanalisation, von dort führt der Weg in die Kläranlage und zu guter Letzt landet es auf dem Acker und im Grundwasser. Doch die maximal mögliche Nitratkonzentration, die sich auf photokatalytische Reaktionen zurückführen lässt, liegt bei fünf Milligramm pro Liter (mg/l). Zum Vergleich: Der Nitrat-Grenzwert für Grundwasser beträgt 50 mg/l. »Alles in allem kann man sagen, dass AirClean die Luftqualität signifikant und schnell verbessert und so zum Umweltschutz beiträgt«, resümiert die Forscherin.

Externer Link: www.fraunhofer.de

TUM-Forscher zeigen Wippbewegung bei Antistress-Protein Hsp90

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Pressemitteilung der TU München vom 23.08.2010

Neuer Ansatzpunkt für Krebsmedikament entdeckt

Wenn Zellen in Stress geraten, leistet das Eiweiß Hsp90 einen wichtigen Beitrag dazu, dass sie überleben. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben die Arbeitsweise dieses Proteins vor einiger Zeit aufgeklärt – doch nun hat Hsp90 mit einem unerwarteten Bewegungsmuster selbst die Experten überrascht. Ihre Ergebnisse werden in der aktuellen Online-Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins PNAS publiziert und könnten helfen, ein spezifisches Medikament gegen Krebs zu finden.

Proteine sind die Maschinen der Zelle: Sie transportieren zum Beispiel Nährstoffe, bewegen unsere Muskeln, wandeln Stoffe chemisch um oder falten andere Proteine. Das so genannte Hitzeschockprotein Hsp90 ist für unsere Zellen von zentraler Bedeutung, da es viele Basis-Prozesse entscheidend steuert – bei uns genauso wie in Bakterien oder Hefen. Es ist etwa maßgeblich daran beteiligt, dass einfache Aminosäureketten zu funktionierenden Proteinen mit einer genau definierten räumlichen Struktur gefaltet werden. Vor allem dann, wenn die Zelle durch Hitze, Vergiftungen oder Sauerstoffmangel hohem Stress ausgesetzt ist, wird HSP 90 vermehrt hergestellt, um die Schäden in Grenzen zu halten.

Das Antistress-Protein ist ein Dimer (besteht also aus zwei identischen Teilen) und kann grob in drei Abschnitte eingeteilt werden: oben der N-Terminus, dann die Mitteldomäne und unten der C-Terminus. Die notwendige Energie für seine Funktion gewinnt Hsp90 durch die langsame Spaltung von ATP, dem Treibstoff jeder Zelle. Dabei bewegen sich die beiden Stränge gegeneinander, allerdings nur um einige Nanometer. TUM-Wissenschaftler um Prof. Johannes Buchner aus der Chemie und Prof. Thorsten Hugel aus der Physik kennen die Hsp90-Bewegung eigentlich gut: Sie waren die ersten, die das scherenartige Verhalten in Echtzeit verfolgt haben. Doch nun waren auch sie überrascht: Denn anstatt der bekannten, einseitigen Scherenbewegung am N-Terminus konnten sie nun eine doppelseitige Wippbewegung nachweisen.

Auch am C-Terminus bewegt sich das Hsp90 scherenartig auf und zu – so etwas war bisher bei Dimeren nicht bekannt. Für ihre neue Beobachtung haben die Forscher auf die sog. FRET-Technik (FRET = Förster Resonance Energy Transfer) zurückgegriffen. Sie haben zwei fluoreszierende Farbstoffmoleküle an exakt definierten Stellen im Hsp90 angebracht und als molekulares Lineal benutzt: Beleuchtet man einen Farbstoff, so bringt dieser den zweiten Farbstoff umso heller zum Leuchten, je näher er an diesem ist. So konnten sie unter einem eigens dafür gebauten Spezialmikroskop die doppelte Scherenbewegung im Nanometerbereich an einzelnen Hsp90-Dimeren sehen.

Besonders interessant ist, dass die doppelte Scherenbewegung am N- und C-Terminus eng gekoppelt ist: Das Hsp90-Dimer öffnet sich wechselseitig auf der einen oder anderen Seite, wie eine Wippe. „Dies erklärt die hohe Stabilität des Dimers – sonst würde so ein Antistress-Protein viel schneller auseinanderfallen“ erklärt Thorsten Hugel. Sehr überrascht hat sein Team auch die Regulation der Geschwindigkeit dieser Wippbewegung: Denn verantwortlich für die Regulation der Schere am C-Terminus ist die ATP-Bindung, die am N-Terminus stattfindet. Das konnten die Forscher nachweisen, indem sie dem Dimer die Energiezufuhr ATP abdrehten. Die Schlussfolgerung des Teams: Hsp90 kommuniziert intern über ungewöhnlich weite Strecken – fast zehn Nanometer.

Das beobachtete Bewegungs- und Kommunikationsmuster ist für die Grundlagenforschung interessant, aber gleichzeitig auch für die Pharmaindustrie: Denn Hsp90 gilt als vielversprechender Ansatzpunkt für die Krebstherapie. Bisher aussichtsreiche Medikamente blockieren am N-Terminus des Antistress-Proteins die Aufnahme von ATP. Dabei wird jedoch gleichzeitig auch bei anderen Proteinen die Energiezufuhr behindert – ungewollte Nebenwirkungen sind die Folge. Dank ihrer neuen Erkenntnisse können sich die TUM-Forscher nun auf den C-Terminus von Hsp90 konzentrieren: „Dort gibt es einzigartige Andockstellen für Krebsmedikamente, die eine Wirkung ohne Nebeneffekte haben sollten“, hofft Hugel.

Die Arbeit wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, den Fonds der Chemischen Industrie und die beiden Exzellenzcluster Nanoinitiative München (NIM) und Munich Center for Integrated Protein Science (CIPSM) unterstützt.

Originalpublikation:
C. Ratzke, M. Mickler, B. Hellenkamp, J. Buchner and T. Hugel: „Dynamics of heat shock protein 90 C-terminal dimerization is an important part of its conformational cycle”. PNAS, Online Early Edition in the week of August 23, 2010.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Ursache für erbliche Netzhauterkrankung geklärt

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 13.08.2010

Regensburger Wissenschaftler entschlüsseln Mechanismus der Genablesung in Sehzellen

Die Netzhaut des menschlichen Auges besteht – neben einer Vielzahl anderer Zellen – aus lichtempfindlichen Sehzellen, von denen etwa 120 Millionen Stäbchen- und ca. sechs Millionen Zapfenzellen sind. Diese lichtempfindlichen Sehzellen nehmen Lichtreize wahr und wandeln sie in elektrische Impulse um, die dann wiederum im Gehirn zur eigentlichen Sehwahrnehmung verarbeitet werden. Defekte in Stäbchen- und Zapfenzellen sind als erbliche Netzhauterkrankungen bekannt und können zu einer fortschreitenden Erblindung führen.

Bislang war nur in Ansätzen bekannt, wie die Produktion von Proteinen in den Sehzellen gesteuert wird, um die Funktion der Sehzellen zu sichern. Ein internationales Forscherteam, bestehend aus deutschen und US-amerikanischen Wissenschaftlern, konnte nun unter Federführung des Instituts für Humangenetik der Universität Regensburg (Priv.-Doz. Dr. Thomas Langmann und Prof. Dr. Bernhard Weber) aufzeigen, dass praktisch alle für Stäbchen- und Zapfenzellen relevanten Gene durch das Zellkernprotein CRX („Cone Rod Homeobox“) gesteuert werden. So gewährleistet CRX unter anderem auch das kontrollierte „Ablesen“ bzw. die Produktion essentieller Proteine wie der Sehfarbstoffe.

„FAM161A Gen“ – die Ursache für Retinitis

Auf dieser Grundlage konnten die Regensburger Forscher weitere Gene und Gendefekte als Ursache für erbliche Netzhauterkrankungen beim Menschen identifizieren. So gelang in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Hamburg und Lausanne der Nachweis, dass Mutationen im sogenannten „FAM161A Gen“ die Ursache für die Retinitis Pigmentosa vom Typ 28 (RP28) sind. Bei dieser Erkrankung sterben die Sehzellen ab dem Kindesalter ab und es kommt schon sehr früh zur Nachtblindheit und einer Einschränkung des Gesichtsfelds bis hin zum Tunnelblick. Retinitis Pigmentosa führt in einem späteren Stadium in der Regel auch zur Erblindung der Betroffenen.

Für das Regensburger Forscherteam wird es nun darum gehen, die Funktion des bisher unerforschten „FAM161A Gens“ in der Netzhaut näher zu untersuchen. Darüber hinaus ist das Auffinden weiterer CRX-gesteuerter „Krankheitsgene“ erklärtes Ziel. Die Ergebnisse der Forscher sind vor Kurzem in den beiden renommierten Fachzeitschriften „Genome Research“ und „American Journal of Human Genetics“ erschienen.

Literaturangaben:

Corbo JC, Lawrence KA, Karlstetter M, Myers CA, Abdelaziz M, Dirkes W, Weigelt K, Seifert M, Benes V, Fritsche LG, Weber BHF, Langmann T: CRX ChIP-seq reveals the cis-regulatory architecture of mouse photoreceptors. „ Genome Research” (doi 10.1101/gr.109405.110)

Langmann T, Di Gioia AD, Rau I, Stöhr H, Maksimovic NS, Corbo JC, Renner AB, Zrenner E, Kumaramanickavel G, Karlstetter M, Arsenijevic Y, Weber BHF, Gal A, Rivolta C: Nonsense mutations in FAM161A cause RP28-associated recessive Retinitis Pigmentosa. „ American Journal of Human Genetics” (doi:10.1016/j.ajhg.2010.07.018)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Nano-Magnete reinigen Blut

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 17.08.2010

Wissenschaftlern der ETH Zürich gelang es, Blut mit Hilfe von Nano-Magneten gezielt von Giftstoffen jeglicher Art zu reinigen. Das neue Verfahren ist vielversprechend. Kann die Methode in die Praxis umgesetzt werden, könnte sie dereinst schnell und effizient Menschen mit Vergiftungen retten.

Speziell präparierte Nano-Magnete mit einem Durchmesser von gerade mal 30 Nanometern (30 Millionstel Millimeter) könnten der Medizin zu einem grossen Durchbruch verhelfen. Inge Herrmann vom Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften der ETH Zürich hat in ihrer Doktorarbeit unter der Leitung von Professor Wendelin Stark und in Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich die winzigen Magnete so ausgestattet, dass sie krank-machende Stoffe an sich binden.

Die Oberfläche der Nano-Magnete wurde so mit Molekülen beschichtet, dass sie spezifisch einen krankmachenden Stoff festhalten kann. Die Wissenschaftler testeten die Eigenschaften ihrer funktionalisierten Magnete in menschlichem Blut: In weniger als fünf Minuten hatten die Magnete den entsprechenden Giftstoff nahezu vollständig an sich gebunden. «Die Art der Molekülwechselwirkungen entscheidet darüber, wie schnell ein Giftstoff an den Magneten hängenbleibt», sagt Herrmann. Nach der erfolgreichen Prozedur “fischten” die Wissenschaftler die Magnete mit einem Permanentmagneten aus dem Blut, den sie von aussen am Gefäss anbrachten.

Moleküle von beliebiger Grösse “fischen”

Aus dem Blut können die Magnete sowohl grosse als auch kleinste Moleküle an sich binden, welche in nur sehr geringen Konzentrationen vorkommen. Winzige, im Überschuss krank machende Moleküle wie Harnstoff, Kalium oder Kreatinin werden bislang mit Dialyse-, Filtrations- oder Absorptionsverfahren dem Blutkreislauf entzogen. Körpereigene krankheitsverursachende Moleküle, wie beispielsweise Entzündungmediatoren bei Blutvergiftungen, sind aber teilweise zu gross, als dass sie mit herkömmlichen Verfahren effizient abgeschieden werden können. Zudem gehen bei diesen Methoden lebenswichtige Moleküle wie Antikörper des Immunsystems oder Plasmaproteine verloren, weil sie die gleiche Molekülgrösse haben.

Keine negativen Auswirkungen auf das Blut

Im Gegensatz zu einer früheren Studie, die rund 45 Mal so viele Magnete verwendete und bei der die roten Blutkörperchen zerstört wurden, konnten die Wissenschaftler aus Zürich keine negativen Auswirkungen auf die Physiologie des Blutes feststellen. Weder die roten Blutkörperchen noch die Blutgerinnung wurden beeinträchtigt, so Beatrice Beck-Schimmer, Professorin am Physiologischen Institut und leitende Ärztin am Universitätsspital. Bedenken, dass die Magnete zu viel Eisen an das Blut abgeben könnten, räumt sie aus. Selbst wenn sich über die Hälfte der Magnete im Blut lösen sollten, wäre die dadurch freigesetzte Eisenmenge kleiner als jene, die bei einem Eisenmangel verabreicht wird. Da die Nano-Magnete einerseits mit einer Kohlenstoffhülle ummantelt und andererseits sehr säure- und temperaturresistent sind, lösen sie sich freilich kaum im Blut. Ob das Verfahren an einem lebenden Organismus erfolgreich angewendet werden kann, soll in einem nächsten Schritt geprüft werden.

Veröffentlichung:
Herrmann IK et al.: Blood Purification Using Functionalized Core/Shell Nanomagnets, Small 2010, 6, 1388-1392. DOI: 10.1002/smll.201000438

Externer Link: www.ethz.ch