Archiv des Monats: Oktober 2010

Auf der Spur des epigenetischen Codes

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 08.10.2010

Testsystem an Drosophila soll den Schlüssel liefern

Lange Zeit galt die Erbsubstanz DNA als alleiniger Informationsträger der Vererbung. Ihren Verpackungsproteinen, den Histonen, wurde nur eine strukturelle Bedeutung zugeschrieben. Durch chemische Änderungen an der DNA oder den Histonen kann jedoch zusätzliche Information gespeichert und an nachfolgende Generationen weitergegeben werden. Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es gelungen, ein experimentelles System zu etablieren, um die Funktion solcher chemischen Histon-Modifikationen und deren Einfluss auf den Organismus auszutesten. Chemische Änderungen an den Histonen stellen möglicherweise einen „epigenetischen Histon-Code“ dar, der den genetischen Code ergänzt und darüber entscheidet, ob die Information bestimmter DNA-Regionen genutzt oder unterdrückt wird. (EMBO reports, 1. November 2010, online vorab veröffentlicht)

Wie bekommt man einen zwei Meter langen DNA-Faden in den Zellkern? Indem man ihn zusammenknäuelt! Dabei wird die DNA um Proteine, die Histone, gewickelt und somit bis um das 50.000-fache verkürzt. Weitere Proteine lagern sich dann an, um das Chromatin und letztlich die Chromosomen zu bilden. Sie sind das Ergebnis eines genialen Verpackungstricks. Die insgesamt fünf unterschiedlichen Histontypen (H1, H2A, H2B, H3 und H4) haben aber noch weitere Aufgaben – und das macht sie so interessant: Histone können an verschiedenen Stellen mit kleinen chemischen Anhängseln wie Acetyl-, Methyl- oder Phosphatgruppen versehen werden. Diese bewirken zum Beispiel eine Öffnung des Chromatins und ermöglichen erst das Ablesen der genetischen Information. Umgekehrt können durch andere Veränderungen, wie die Bindung von Proteinen, bestimmte Bereiche des DNA-Moleküls stillgelegt werden, sodass sie nicht mehr abgelesen werden: „Gen-Silencing“ nennen die Wissenschaftler das. „Die Histon-Modifikationen greifen auf diese Weise in die Aktivitätskontrolle der Gene ein und ergänzen damit den genetischen Code“, erklärt Herbert Jäckle, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen.

Dieses Modifikationsmuster der Histone wird bei jeder Zellteilung an die Tochterzellen vererbt. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese epigenetische Vererbung durch einen zell- oder organspezifischen „Histon-Code“, bestimmt wird: „Er entscheidet darüber, ob die Zellmaschinerie zu den DNA-codierten Genen Zugang hat oder ob der Zugang gesperrt wird“, so Jäckle. Diesen Code würden die Wissenschaftler nur zu gerne knacken. Doch dabei gibt es ein nicht unerhebliches Hindernis: Für die Produktion der Histone sind im Genom höherer Organismen bis zu jeweils hunderte Genkopien abgelegt. Bislang schien es daher unmöglich, diese Genkopien auszuschalten und durch gentechnisch veränderte Histon-Varianten zu ersetzen. Erst das würde den Forschern ermöglichen, ein Testsystem zu etablieren: Denn wenn diesen Varianten bestimmte Andockstellen, z.B. für chemische Gruppen fehlen, ließen sich bestimmte Modifikationen an den Histonen verhindern und untersuchen, inwieweit das Fehlen dieser Modifikationen zu diagnostizierbaren Störungen im Organismus führt.

Doch nun haben die Göttinger Max-Planck-Forscher eine neue Methode entwickelt, um die Funktion aller Histon-Modifikationen zu untersuchen. Die Zellbiologen entfernten alle Histon-Gene aus dem Genom der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, was bewirkt, dass sich Zellen nicht mehr weiterteilen. Ihr Genom wird zwar noch wie bei einer normalen Zellteilung durch DNA-Synthese verdoppelt, danach allerdings bleibt die Zelle ungeteilt im Teilungszyklus stehen und der Organismus stirbt. Mit steigender Zahl an Kopien von den jeweils vier Histon-Genen normalisiert sich die Situation zunehmend: „Fliegen mit zwölf Kopien des Histon-Gen-Clusters überleben schließlich und sind fortpflanzungsfähig“, erzählt Jäckles Mitarbeiter Alf Herzig, der das Projekt leitet.

Dass mehrere Kopien der Histon-Gene, notwendig sind, damit der Organismus überlebt, war bei mehrzelligen Organismen schon allgemein festgestellt, worden. Die Ergebnisse liefern darüber hinaus Hinweise dafür, dass die Zelle während der Teilung erkennt, dass Histone fehlen und daraufhin die Teilung der Zelle unterbleibt, obwohl die DNA – wie vor jeder Zellteilung – bereits verdoppelt wurde. „Offenbar gibt es also Kommunikationswege zwischen der Histon-Produktion und der Zellteilungsmaschinerie“, sagt Günesdogan, Doktorand in der Abteilung. Das Entscheidende aber ist: Die Forscher haben nun ein Analyse-System zur Verfügung, in das Histon-Varianten eingeschleust werden können, um schrittweise die Funktion der Histonmodifikationen, und damit letztlich den Histon-Code im Organismus experimentell zu überprüfen. Mal sehen, wann der Code geknackt wird. [CB]

Originalveröffentlichung:
Ufuk Günesdogan, Herbert Jäckle & Alf Herzig
A genetic system to assess in vivo the functions of histones and histone modifications in higher eukaryotes
EMBO reports (2010) 11, 772 – 776; online veröffentlicht am 1. Oktober 2010

Externer Link: www.mpg.de

Schwungräder speichern Öko-Energie

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Presseaussendung der TU Wien vom 11.10.2010

Auf der Suche nach Energiespeichermethoden verbindet man an der Technischen Universität (TU) Wien modernste Technologie mit bewährten Ideen: High-Tech-Schwungräder sollen Energie stundenlang konservieren.

Wien (TU) – Was nützt eine Solarzelle, wenn man den elektrischen Strom tagsüber erzeugt, aber erst in der Nacht benötigt? Was nützt ein Windkraftwerk, wenn die stärksten Böen nicht genutzt werden können? Energie stundenlang effizient speichern zu können ist ein wichtiges Forschungsziel, ganz besonders im Zusammenhang mit alternativen Energieformen wie Photovoltaik oder Windkraft. An der TU Wien versucht man nun dieses Problem mit elektronisch geregelten Schwungradspeichern zu lösen.

Mächtige Karbonfaserschwungmassen sollen in Zukunft Energie speichern. „Ein erster Prototyp wiegt 160 kg und erreicht eine Drehzahl von 500 Umdrehungen pro Sekunde“, erklärt Alexander Schulz, der gemeinsam mit Prof. Johann Wassermann Forschungsprojekte zu dieser Thematik am Institut für Mechanik und Mechatronik der TU Wien leitet. In einem einzelnen Rotor ist dabei eine Energie von mehreren Kilowattstunden gespeichert – genug, um einen ganzen Haushalt stundenlang zu versorgen, solange die Sonneneinstrahlung für Photovoltaik nicht stark genug ist.

Schwebende Schwungräder

Schwungräder werden bereits heute als Kurzzeit-Energiespeicher eingesetzt. Allerdings führen Reibungsverluste  dazu, dass schon nach Minuten ein beträchtlicher Teil der gespeicherten Energie für die Nutzung verloren geht. Der rotierende Karbonzylinder bewegt sich an der Außenseite mit bis zu 3400 km/h – also etwa viermal so schnell wie ein Jumbojet. Wenn er sich im Vakuum stundenlang ohne große Reibungsverluste drehen soll, muss ein berührungsloses Magnetlager verwendet werden. Die Entwicklung solcher Schwungräder wurde erst durch extrem starke Permanentmagnete aus einer Neodym-Eisen-Borverbindung interessant. „Der ganze Rotor schwebt mit etwa einem Millimeter Abstand zum Stator“, erklärt Prof. Wassermann. Allerdings genügt es nicht, den Rotor einfach magnetisch zu lagern. Das Lager muss sich selbstständig an den jeweiligen Betriebszustand des Rotors anpassen und kleine Abweichungen ständig korrigieren. „Schon allein die Wärmeausdehnung des Rotors verändert seinen Abstand zum Magnetlager und kann zu Problemen führen“, meint Harald Sima, einer der Wissenschaftler, der am Projekt arbeitet. Aus diesem Grund werden komplexe mechatronische Komponenten entwickelt, mit denen die Position des Rotors ständig genau erfasst und gegebenenfalls mit Elektromagneten rasch reguliert werden kann. Das System optimiert sich laufend selbst.

Intelligente Elektronik

Wenn das Schwungrad dazu dienen soll, Energie stundenlang ohne große Verluste zu speichern, darf auch die Steuerelektronik nicht viel Energie benötigen. Darin liegt eine der größten Herausforderungen für das Forschungsteam. „Jeder Steuerungseingriff mit den aktiven Magnetlagern erfordert Energie, doch der permanente Energiebedarf, der unter normalen Betriebsbedingungen auftritt, soll bei diesem System minimiert werden“, erklärt Alexander Schulz. Viele anspruchsvolle Forschungsfragen – von der Regelungselektronik bis zum Rotordesign – müssen dafür gelöst werden.

Umweltfreundlicher Lösungsansatz

Gewöhnliche Akkus weisen eine sehr eingeschränkte Lebensdauer auf und bestehen zum Teil aus ökologisch bedenklichen und zudem nur schwer verfügbaren Materialien. Hier soll das Schwungrad-System punkten: 25 Jahre soll die Lebensdauer des neuen Energiespeichers betragen, und selbstverständlich darf keine Gefahr vom hochtourigen Rotor ausgehen. Die komplette Lagerung inklusive Regelungselektronik ist redundant ausgelegt, sodass selbst ein Ausfall einzelner Komponenten nicht zu einem ernsten Problem führt. In diesem Fall kann der Rotor unbeschädigt zum Stillstand gebracht werden. Die Forschungsarbeit des Flywheel-Teams an der TU Wien mündete bereits in zwei Patentanmeldungen. Bis man einen Schwungrad-Energiespeicher für zuhause kaufen kann, wird wohl noch einige Zeit vergehen, doch Interesse von Kooperationspartnern aus der Industrie zeichnet sich bereits ab. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Dem Zellgedächtnis der Pflanzen auf der Spur

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Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 07.10.2010

Heidelberger Wissenschaftler entdecken ähnliche Mechanismen wie beim Menschen

Mit einem ähnlichen Mechanismus sorgen bestimmte Gene bei Pflanzen und beim Menschen dafür, dass Zellen Informationen über ihr genetisches Schicksal an ihre Tochterzellen weitergeben können. Diese überraschende Entdeckung haben Biologen der Universität Heidelberg bei Untersuchungen an der molekularbiologischen „Modellpflanze“ Ackerschmalwand aus der Familie der Kreuzblütler gemacht. Danach gibt es strukturelle Ähnlichkeiten zwischen zwei pflanzlichen Proteinen und einem menschlichen Protein, das beim sogenannten Zellgedächtnis mitwirkt. Damit kam das Forscherteam unter Leitung von Dr. Myriam Calonje zu neuen Erkenntnissen darüber, wie in wachsenden Geweben die Informationen über das spezifische Gen-Programm an die neuen Zellgenerationen weitergegeben werden. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift „Current Biology“ veröffentlicht.

Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Entdeckung einer Pflanze der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), bei der die Funktionen des zellulären Gedächtnisses gestört waren: Die Pflanze wies eine große Zahl von Abweichungen auf, unter anderem verwandelten sich bereits kurz nach der Keimung einzelne Bereiche der Keimblätter wieder in embryoartige Strukturen zurück. Mit molekulargenetischen Untersuchungen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es sich dabei um sogenannte somatische Embryonen handelt, also Embryonen, die von bereits differenzierten Zellen gebildet werden. Damit wird den Tochterzellen das Schicksal der vorhergehenden Zellgeneration nicht mitgeteilt und sie starten noch einmal mit dem Entwicklungsprogramm.

Die Heidelberger Forscher konnten zwei Gene ausmachen, deren Defekt für diese Störung verantwortlich ist. Dabei kodieren diese beiden Gene zwei Proteine, die strukturelle Ähnlichkeiten aufweisen mit dem humanen BMI1-Protein. Dieses Protein ist Teil eines molekularen Mechanismus, der als zelluläres Gedächtnis bezeichnet wird. „Die Mechanismen des Zellgedächtnisses der Ackerschmalwand sind denen des Menschen sehr ähnlich, auch wenn ein Teil der beteiligten Gene im Verlauf der Evolution ausgetauscht wurde“, erläutert Dr. Calonje.

Kooperationspartner in Madrid haben nachgewiesen, dass das pflanzliche BMI1-Protein wie sein humaner Verwandter ebenfalls wichtige Komponenten der Erbsubstanz – sogenannte Histone – chemisch markiert. Dies hat zur Folge, dass das Gen von einem bestimmten Zeitpunkt an „abgeschaltet“ ist. Diese spezielle Markierung kann ohne Veränderung des DNA-Codes an die durch Zellteilung entstandenen Tochterzellen weitervererbt werden. Das bedeutet, dass die bei Arabidopsis gefundenen Gene es den Zellen ermöglichen, die Information über ihr genetisches Schicksal an die nächste Zellgeneration weiterzugeben.

Originalveröffentlichung:
Bratzel et al.: Keeping Cell Identity in Arabidopsis Requires PRC1 RING-Finger Homologs that Catalyze H2A Monoubiquitination, Current Biology (2010), doi:10.1016/j.cub.2010.09.046

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

Bislang unbekannten Mikroorganismus entdeckt

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 07.10.2010

FAU-Forscher untersucht Lebensvielfalt in sauren Seen

Fische können darin kaum überleben, Menschen bekämen Hautverätzungen – das „Restloch“ RL107 in der Lausitz und der Lindensee in der Oberpfalz sind so sauer wie reiner Essig. Es gibt allerdings Lebensformen die sich darin wohlfühlen: säuretolerante Mikroorganismen, die Dr. Volker Huß vom Lehrstuhl für Molekulare Pflanzenphysiologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) im Rahmen eines Forschungsprojekts der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) untersucht hat. Durch die Isolierung spezieller DNA-Abschnitte, so genannter ribosomaler RNA, erfasste und kategorisierte er die einzelnen, dort existierenden Organismen und entdeckte unter anderem einen bislang völlig unbekannten Mikroorganismus.

Die Gewässer sind Überreste des Braunkohletagebaus, ehemalige Lagerstätten, die im Laufe der Zeit überschwemmt oder geflutet wurden und in denen Pyrit – ein bei der Lagerung von Braunkohle entstehendes Mineral – von Mikroorganismen zersetzt wird. Bei diesem Prozess entsteht Schwefelsäure, die die Gewässer so sauer macht.

Ingesamt 23 verschiedene Mikroorganismen isolierte Huß aus dem Lindensee. Im „Restloch“, das einen noch höheren Säuregehalt aufweist, konnte er nur noch neun verschiedene Organismen identifizieren. In einem Verfahren, das als „environmental PCR“ bezeichnet wird, extrahierte der Wissenschaftler die in Wasserproben vorhandenen unterschiedlichen RNA-Sequenzen und verglich sie anschließend mit einer Datenbank, in der tausende weitere solche Sequenzen gespeichert sind. „Dabei hat sich gezeigt, dass die uns bekannten und charakterisierten Organismen nur einen Bruchteil der natürlich vorkommenden Biodiversität ausmachen“, erläutert Huß das Forschungsergebnis. Eine der gefundenen Sequenzen konnte sogar keiner der bislang bekannten Evolutionslinien der Organismen zugeordnet werden.

Die ribosomale RNA eignet sich besonders gut zur Identifizierung verschiedener Organismen, da sie sich im Laufe der Evolution nur geringfügig verändert hat. Je ähnlicher die RNA-Sequenzen sind, desto später haben sich die Organismen in der Evolution voneinander abgespalten. „Über die Sequenzen lässt sich ermitteln, wann sich die Entwicklungslinien getrennt haben. Vergleicht man sie dann miteinander, entsteht eine Art Familienstammbaum, der uns zeigt, was für eine ungeheure Vielfalt dieser Mikroorganismen existiert“, sagt Dr. Huß. „Mit anderen Untersuchungsmethoden, wie z.B. mit einem Mikroskop, wäre eine exakte Bestimmung wesentlich schwieriger oder gar unmöglich.“

Auch bereits bekannte Organismen unterzog Dr. Huß einer eingehenden Untersuchung. Bei der elektronenmikroskopischen Analyse einer aus den Seen isolierten Grünalge machte er eine weitere Entdeckung. Manche Gruppen von Algen besitzen einen Schutzmechanismus. Ähnlich wie Igel rollen sie sich bei äußeren Einflüssen, die sie schädigen könnten, zusammen zu Kugeln, so genannten Cysten. Auf diese Weise können sie jahrelang auch unter widrigsten Bedingungen überleben. Ein derartiger Mechanismus ist innerhalb der Gruppe von Grünalgen, zu denen die von Dr. Huß erfasste Alge gehört, nicht bekannt. Diese Alge bildet aber cystenähnliche Strukturen aus, die möglicherweise als Vorstufen der Evolution zu einer echten Cystenbildung angesehen werden können.

Langfristig gesehen könnte die Untersuchung der säuretoleranten Mikroorganismen in der Biotechnologie genutzt werden. Denkbar wäre ein Einsatz zum Beispiel in der biologischen Abwasserreinigung.

Dr. Volker Huß gilt als Experte bei der phylogenetischen Bearbeitung von Mikroalgen, also der Analyse ihrer Stammbäume. Bislang gab es nur eine einzige vergleichbare Untersuchung der Biodiversität eines derart sauren Biotops, in einem spanischen Fluss, der ebenfalls einen extrem hohen Säuregehalt aufweist.

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Verlangsamte Spins für schnellere Informationsverarbeitung

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 07.10.2010

Regensburger Physiker manipulieren Umschaltzeiten von Ladungsträgern mit Hilfe von Mangan-Atomen – Veröffentlichung in „Nature Physics“

Halbleiter werden in der Elektronik auf vielfältige Weise verwendet. Dies liegt an ihren erstaunlichen Eigenschaften. Denn die elektrische Leitfähigkeit von reinen Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Bei tiefen Temperaturen sind sie Isolatoren: sie besitzen also dann im Gegensatz zum Metall keine freibeweglichen Elektronen. Die Elektronen sitzen dabei paarweise gebunden zwischen den Atomen fest. Bei steigender Temperatur brechen einige dieser Bindungen auf, und die dann frei beweglichen Elektronen erhöhen die Leitfähigkeit. Dort, wo das negativ geladene Elektron fehlt, entsteht eine Elektronenlücke, ein Loch, das positiv geladen ist und sich auch frei bewegen kann. Die Zahl von freien Elektronen oder Löcher kann durch Zugabe von geeigneten Fremdatomen, als Dotierung bezeichnet, signifikant erhöht werden.

Ordnet man diese positiv geladenen Löcher in einer Ebene an, so erhält man ein sogenanntes zweidimensionales Lochgas. Was sich zunächst ungewöhnlich anhört, findet sich in Form von CMOS (complementary metal oxide semiconductor) Transistoren in vielen elektronischen Geräten und somit in fast jedem Haushalt. Einer Gruppe von Physikern um Prof. Dr. Dieter Weiss vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg und Prof. Dr. Werner Wegscheider, zwischenzeitlich an der ETH Zürich, konnten nun erstaunliche Eigenschaften dieser Lochgase bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nachweisen, die bei der Quanteninformationsverarbeitung Anwendung finden könnten.

Dafür bauten die Wissenschaftler Manganatome (Mn) als Dotierstoff in zweidimensionale Lochgase ein. Die Besonderheit von Mangan ist, dass es ein magnetisches Moment (Spin) besitzt, sich also wie ein winziger Stabmagnet verhält. Im Anschluss maßen sie den elektrischen Widerstand.

Ohne angelegtes Magnetfeld blieb das Lochgas isolierend. Verstärkten die Forscher aber das Magnetfeld, so fiel der Widerstand in erheblichem Maße. Zudem konnte die Wissenschaftler dabei Hysterese des Widerstandes beobachten: d. h. der Widerstand nahm beim Hoch- und Runterfahren des Magnetfeldes unterschiedliche Werte an. Dieser magnetfeldgetriebene Übergang von einem isolierenden in einen leitfähigen Zustand und die Hysterese sind höchst ungewöhnlich und auf das Wechselspiel zwischen Mn-Atomen und Löchern zurückzuführen.

Die Wissenschaftler konnten in Kooperation mit Physikern der Polnischen Akademie der Wissenschaften klären, dass diese Effekte auf der sogenannten quantenmechanischen Austauschwechselwirkung beruhen, auf die auch der Ferromagnetismus (beispielsweise von Eisen) zurückzuführen ist. Durch diese Wechselwirkung kommt eine „antiparallele“ Kopplung der magnetischen Momente (Spins) der Löcher und der Manganatome zustande. Führt man sich die Spins als Stabmagnet mit Nordpol und Südpol vor Augen, so bedeutet dies, dass sich Nord- und Südpol eines Mn-Atoms und eines Lochs gegenüberstehen. Die Pärchen stehen auch mal Kopf, so dass in manchen Bereichen des Lochgases der Mn-Nordpol mal nach oben, mal nach unten zeigt. Dieser ungeordnete Zustand ist mit einem hohen Widerstand verknüpft: Das System verhält sich dann wie ein Isolator. Erst ein genügend starkes Magnetfeld orientiert die Spins in eine Richtung bzw. „klappt sie um“ und das System wird elektrisch leitend.

Die Regensburger Forscher konnten dabei zeigen, dass dieses „Umklappen“ sehr langsam vor sich geht und viele Sekunden dauert. Vor diesem Hintergrund erklärt sich auch die Hysterese. Eine ähnlich lange Relaxationszeit – die Zeit, die ein angeregtes Objekt benötigt, um in den Grundzustand zurückzukehren – lässt sich bei anderen Ladungsträgern nicht nachweisen. Diese extrem langen Relaxationszeiten sind für Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung interessant.

Die Ergebnisse der Regensburger Wissenschaftler sind vor kurzem in der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“ erschienen. (Alexander Schlaak)

Veröffentlichung:
Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS1782

Externer Link: www.uni-regensburg.de