Archiv des Monats: Dezember 2010

Leberzellen aus embryonalen und adulten Stammzellen unterscheiden sich kaum

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 21.12.2010

Induzierte pluripotente Stammzellen aus fötalen Hautzellen und embryonale Stammzellen besitzen vergleichbares Potenzial zur Bildung von Leberzellen

Viele Patienten mit chronischen Lebererkrankungen können derzeit nicht ausreichend behandelt werden, da es nicht genügend Spenderorgane für Transplantationen gibt. Eine Alternative könnten in Zukunft Leberzellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) sein. Forscher vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin haben Leberzellen aus embryonalen Stammzellen mit Leberzellen aus iPS-Zellen verglichen und festgestellt, dass die Genaktivität bei beiden sehr ähnlich ist. Allerdings ist knapp die Hälfte der Gene im Vergleich zu „echten“ Leberzellen unterschiedlich stark aktiv. Die Genaktivität von Leberzellen aus iPS-Zellen muss also noch angepasst werden, bevor sie zur Behandlung von Lebererkrankungen eingesetzt werden können. (Stem Cells and Development, 20. Dezember 2010)

Induzierte pluripotente Stammzellen können aus verschiedenen Zelltypen gebildet werden und besitzen denselben genetischen Hintergrund wie die Zellen, aus denen sie ursprünglich hervorgingen. iPS-Zell-basierte Leberzellen sind deshalb ein idealer Ausgangspunkt für zukünftige regenerative Therapien, denn immunologische Abstoßungsreaktionen zwischen Spender- und Empfängerzellen können so umgangen werden.

In ihrer Studie haben die Berliner Max-Planck-Wissenschaftler Leberzell-ähnliche Zellen aus iPS-Zellen und embryonalen Stammzellen mit „echten“ Leberzellen früher und später Entwicklungsstadien verglichen. „Nur so können wir feststellen, welche Unterschiede zwischen diesen Zelltypen tatsächlich bestehen und welche Mängel die „künstlichen“ Leberzellen eventuell noch aufweisen“, erklärt Justyna Jozefczuk vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik. Die Forscher konnten zeigen, dass die Ähnlichkeit der Stammzellen aus Embryos und iPS-Zell-basierten Leberzellen in Bezug auf ihre Genaktivität bei etwa 80 Prozent liegt. Im Vergleich dazu liegt die Übereinstimmung der Genexpression im Vergleich zu isolierten Zellen der fötalen menschlichen Leber jedoch nur bei etwa 53 Prozent.

Leberzell-ähnliche Zellen aus iPS und embryonalen Stammzellen aktivieren viele der typischen Lebergene, z.B. Albumin, Alpha-Fetoprotein und Cytokeratin 18. Die „künstlichen“ Leberzellen können darüber hinaus wie die „echten“ Leberzellen auch Glykogen speichern oder Harnstoff produzieren. Außerdem können sie Fremdmoleküle aufnehmen und abbauen. Dagegen sind die Gene rund um das Enzym Cytochrom P450 bei iPS und echten Leberzellen unterschiedlich stark aktiv. Diese Enzyme verstoffwechseln unter anderem Medikamente und Fremdstoffe. „Mit diesem Wissen verstehen wir nicht nur die Ursachen von Lebererkrankungen besser, wir können auch effizientere Medikamente entwickeln, die individuelle Unterschiede zwischen den Patienten berücksichtigen“, sagt James Adjaye vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik.

Originalveröffentlichung:
Jozefczuk J, Prigione A, Chavez L, and Adjaye J
Comparative analysis of human Embryonic Stem Cell and induced Pluripotent Stem Cell-derived hepatocyte-like cells reveals current drawbacks and possible strategies for improved differentiation.
Stem Cells and Development, 20. Dezember 2010, doi:10.1089/scd.2010.0361.

Externer Link: www.mpg.de

Muskelfasern machen mechanische Belastungen sichtbar

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Pressemitteilung der TU München vom 20.12.2010

Neues Modellsystem zur Untersuchung der Eigenschaften von Kunststoffen:

Seit Jahrzehnten nutzen wir Materialien aus Kunststoffen. Doch bei der Weiterentwicklung stehen die Hersteller vor einem Problem: Wesentliche Einflüsse der mikroskopischen Materialstruktur auf die mechanischen Materialeigenschaften können nicht direkt beobachtet werden. Die synthetischen Polymermoleküle sind zu klein, um sie bei mechanischen Experimenten mikroskopisch beobachten zu können. Ein Team von Physikern um Professor Andreas Bausch von der Technischen Universität München (TUM) hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem solche Messungen möglich werden. In Nature Communications stellen sie ihre Ergebnisse vor.

Streckt man eine Folie aus Polyethylen stark, so wird sie reißfester. Einkaufstüten werden so erheblich belastbarer. Der Effekt wird einer Neuordnung der Polymerketten zugeschrieben. Manche elastischen Polymere werden durch eine häufig wiederkehrende Belastung weicher. Dieses Verhalten wurde nach seinem Entdecker Mullins-Effekt genannt. Doch was die Polymerketten bei mechanischer Belastung genau tun, ist bisher nicht ausreichend verstanden. Ein Grund dafür ist, dass synthetische Polymere zu klein sind, um sie mit mikroskopischen Methoden während der mechanischen Belastungsexperimente zu beobachten. Ein besseres Verständnis der Vorgänge auf der molekularen Ebene würde bei der Entwicklung neuer Kunststoffe sehr viel Zeit und Geld sparen.

Auch die Natur macht sich die mechanischen Eigenschaften von Polymeren zu Nutze: Biologische Polymere geben Zellen ihre Stabilität und spielen eine entscheidende Rolle bei der Ausführung ihrer komplexen Funktionen. Das Physiker-Team um Professor Andreas Bausch nutzte nun das Muskelfaser-Protein Aktin, um ein Polymernetzwerk zu bilden. Die Aktin-Fasern sind unter einem Fluoreszenzmikroskop sichtbar. Damit gelang es den Wissenschaftlern, die Bewegungen der einzelnen Fasern bei mechanischer Belastung des Materials direkt zu beobachten.

Durch die gleichzeitige Verwendung eines Rheometers, mit dessen Hilfe mechanische Eigenschaften von Materialien untersucht werden können, und eines konfokalen Mikroskops konnten die Wissenschaftler das Verhalten des Aktin Netzwerks während der mechanischen Verformungen beobachten und dreidimensional filmen.

Mit ihren nun im Online-Journal Nature Communications veröffentlichten Untersuchungen konnten sie zeigen, dass ihr Modellsystem nicht nur die dem Mullins-Effekt zugrunde liegenden Vorgänge auf molekularer Ebene zeigen kann sondern auch den gegenteiligen Effekt, bei dem das Material bei wiederholter Belastung härter wird.

Verantwortlich für die Änderungen der mechanischen Eigenschaften sind umfangreiche Umorganisationen der Netzwerkstruktur, die auf diese Weise erstmals direkt beobachtet werden konnten. In Zukunft wird das Modell der Physiker dabei helfen, auch die Eigenschaftsänderungen anderer Materialien besser zu verstehen.

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Center for Nanosystems Initiative Munich, International Graduate School of Science and Engineering der TUM) sowie dem Bayerischen Elitenetzwerk (CompInt). Die Kooperationspartner an der Georgetown University, Washington D.C., USA, wurden unterstützt aus Mitteln der National Science Foundation und des Air Force Office of Scientific Research der USA.

Originalpublikation:
Cyclic hardening in bundled actin networks, K. M. Schmoller, P. Fernández, R. C. Arevalo, D. L. Blair und A. R. Bausch, Nature Communications, Vol. 1, 134, 7. Dezember 2010 – DOI: 10.1038/ncomms1134

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Roboter mit Fingerspitzengefühl

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Dezember 2010

Zwei Arme, drei Kameras, Fingerspitzengefühl und Mimik – das sind die Kennzeichen des pi4-Workerbot. Da er ähnliche Proportionen wie ein Mensch hat, lässt sich der Roboter an jedem modernen Arbeitsplatz der industriellen Fertigung einsetzen. Der Workerbot soll helfen, die Produktion in Europa wettbewerbsfähig zu halten.

Vorsichtig nimmt der Roboter das Zahnrad in die eine und das Gehäuse in die andere Hand. Dann steckt er die beiden Teile zusammen. Da sie nicht gleich einrasten, unterbricht er seine Bewegung. Langsam dreht er das Zahnrad ein kleines Stück zurück. Jetzt lässt es sich ohne Widerstand in der Halterung bewegen. Lächelnd legt er die erfolgreich zusammengesteckte Verbindung auf das Laufband. Dem pi4-Workerbot gelingt motorisch vieles, was normale Roboter nicht können. Er ist das Glanzstück des mit europäischen Mitteln geförderten PISA-Projekts. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit Hilfe von Robotern bei Montageaufgaben einer industriellen Massenfertigung flexibler zu sein.

Wer in Deutschland produziert, braucht eine Technologie, die anpassungsfähig ist – an unterschiedliche Produktvarianten und schwankende Stückzahlen. Weil je nach Auftragslage auch der Bedarf an Arbeitskräften variiert, sollen Hersteller den Roboter sogar leasen können. »Wir haben den Workerbot so entwickelt, dass er ähnliche Proportionen wie ein Mensch hat«, sagt Dr.-Ing. Dragoljub Surdilovic, Arbeitsgruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Kons-truktionstechnik IPK in Berlin. So lässt sich der Hightech-Helfer an jedem modernen Stehsitzarbeitsplatz der industriellen Fertigung einsetzen.

Der Roboter ist mit drei Kameras ausgestattet. Die Umgebung erfasst er mit einer hochmodernen 3D-Kamera in der Stirn. Zu Inspektionszwecken dienen die beiden anderen Kameras. Die Bandbreite seiner Fähigkeiten ist groß: »Er kann Gegenstände vermessen oder unterschiedliche Oberflächen inspizieren«, sagt Matthias Krinke, Geschäftsführer von pi4-Robotics, dem Unternehmen, das den Workerbot auf den Markt bringt. Über die Reflektion des Lichts auf dem Material erkennt der Roboter, ob die Chromschicht auf einem Werkstück makellos aufgetragen wurde. »Wenn man zwei unterschiedliche Kameras einsetzt, kann er mit dem linken Auge einen anderen Aspekt prüfen als mit dem rechten«, sagt Krinke. Zudem ist der Workerbot in der Lage, Bauteile 24 Stunden lang zu inspizieren. Das ist in Bereichen, in denen es auf Präzision ankommt, besonders wichtig: Etwa in der Medizintechnik, wo ein fehlerhaftes Teil im schlimmsten Fall das Leben von Menschen in Gefahr bringen kann.

Eine weitere Besonderheit des pi4-Workerbot: Er verfügt über zwei Arme. »Das erlaubt neue Arten von Bewegungsabläufen«, sagt Surdilovic. »Die Roboter können ein Werkstück von einer Hand in die andere reichen.« Etwa, um kompliziert gebaute Teile aus allen Winkeln zu betrachten. »Konventionelle Roboterarme haben meist nur ein einziges Drehgelenk in der Schulter, alle anderen Gelenke sind Knickgelenke. Das heißt, sie verfügen über sechs Freiheitsgrade und nicht über sieben wie der menschliche Arm.« Der Workerbot hat neben dem Drehgelenk in der Schulter eine zusätzliche Drehmöglichkeit, die dem Handgelenk beim Menschen entspricht. Die Arbeitsgruppe von Surdilovic arbeitete die Steuerung aus. »Eine besondere Herausforderung war es, das Zusammenspiel der beiden Arme zu ermöglichen – etwa wenn sie gemeinsam ein Werkstück inspizieren oder zwei Bauteile zusammenbauen«, erläutert der Fraunhofer-Forscher. »Dazu bedarf es einer zusätzlichen Sensorik.«

Zudem haben die Forscher ihn mit Fingerspitzengefühl versehen. »Wenn man die Greifkräfte richtig einstellt, nimmt er ein Ei, ohne es zu zerquetschen«, sagt Surdilovic. Der Roboter kann sich sogar mit Mimik ausdrücken. Läuft die Arbeit reibungslos, lächelt er zufrieden. Sieht er gelangweilt aus, wartet er auf Arbeit, und der Produktionsleiter weiß, dass der Produktionsprozess beschleunigt werden kann.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Was geschieht mit meinen Daten?

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.12.2010

Forschungsgruppe am KIT erarbeitet Lösungen zur verteilten Nutzungskontrolle

In einer zunehmend vernetzten Welt wird es immer wichtiger zu kontrollieren, was mit den eigenen Daten geschieht. Die Forschungsgruppe „Zertifizierbare Vertrauenswürdige Informatiksysteme“ um Professor Alexander Pretschner entwickelt Lösungen zur Datennutzungskontrolle in verteilten Systemen. So arbeiten die Wissenschaftler an einer Software, mit der sich das Herunterladen von persönlichen Daten in sozialen Netzwerken steuern lässt.
 
Was geschieht mit Daten, wenn sie einmal herausgegeben worden sind? Üblicherweise kann der Empfänger sie nach Belieben speichern und weiterleiten. Mit Anweisungen wie „innerhalb von 30 Tagen löschen“, „nicht kopieren“ oder „Datenbesitzer muss bei Weitergabe informiert werden“ versucht der Herausgeber die Kontrolle über die Daten zu behalten. Wie aber kann er sicherstellen, dass der Empfänger sich auch an die Anweisungen hält, oder dies zumindest überprüfen? Mit der Datennutzungskontrolle in verteilten Systemen befasst sich die Forschungsgruppe „Zertifizierbare Vertrauenswürdige Informatiksysteme“ an der Informatikfakultät des KIT. „Das Thema ist sowohl für das Management intellektuellen Eigentums als auch für den Schutz persönlicher und geschäftlicher Daten relevant“, erklärt der Leiter der Forschungsgruppe, Professor Alexander Pretschner.
 
Betroffen sind beispielsweise die Verwaltung von Rechten an digitalen Inhalten wie Filmen oder Musik (Digital Rights Management – DRM), die Abwicklung von Kreditkartenzahlungen im Internet, Online-Shops, E-Mail-Services sowie soziale Netzwerke wie Facebook, XING oder studiVZ. In mehreren Projekten, gefördert unter anderem von der EU, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und mit dem „Google Research Award“, entwickeln die Forscherinnen und Forscher um Alexander Pretschner Lösungen zur Datennutzungskontrolle. Es geht darum, Anforderungen zu definieren und zu spezifizieren, ihre Einhaltung zu überprüfen und sicherzustellen sowie die Nutzer davon zu überzeugen. Dabei arbeitet die Forschungsgruppe auch mit dem Zentrum für Angewandte Rechtswissenschaft (ZAR) des KIT zusammen.
 
Die KIT-Wissenschaftler haben bereits die Basis einer Datennutzungskontroll-Software für soziale Netzwerke entwickelt: Ob und inwieweit ein Nutzer persönliche Daten herunterladen oder per Screenshot festhalten kann, hängt davon ab, welchen Status – „Freund“ oder „Bekannter“ – er im Netzwerk des betreffenden Nutzers besitzt. Derzeit arbeitet die Forschungsgruppe daran, die Software, die auf dem Computer des Nutzers installiert sein muss, gegen unerwünschte Eingriffe zu schützen.
 
„Für jedes Teilproblem existieren bereits Lösungen“, erläutert Pretschner. „Die Herausforderung besteht darin, verschiedene Lösungen in ein Gesamtkonzept zu integrieren.“ So bestehen bereits Ansätze, den Fluss von Daten von einer konkreten Repräsentation in eine andere zu verfolgen – etwa von einer Datei in ein Browserfenster. Die Forschungsgruppe erarbeitet nun einen Ansatz, den Weg von Daten auch zwischen Systemen und unabhängig von konkreten Repräsentationen zu verfolgen. (or)

Externer Link: www.kit.edu

Auf dem Weg zum triebhaften Computer

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Presseaussendung der TU Wien vom 13.12.2010

Soll man die Roboter von morgen nach den Prinzipien der Psychoanalyse entwickeln? Ein Forschungsteam der Technischen Universität (TU) Wien verknüpft Computerwissenschaft mit Freuds Modellen – mit wertvollem Erkenntnisgewinn für beide Seiten.

Wien (TU). – Das menschliche Gehirn ist wohl die komplizierteste Struktur, die wir kennen. Unser Denken kann nicht auf simple mathematische Weise beschrieben werden – doch in der Psychoanalyse wurden Modelle entwickelt, die zumindest in groben Zügen Auskunft darüber geben, wie unser eigener Kopf funktioniert. Auch moderne Computer erreichen einen praktisch unüberblickbaren Grad an Komplexität – so ist es also naheliegend, psychoanalytische Modelle auch auf Computerprogramme anzuwenden. Computer und Psyche zu verknüpfen, das ist das Ziel von Prof. Dietmar Dietrich und Dr. Dietmar Bruckner vom Institut für Computertechnik der TU Wien – in Sigmund Freuds Heimatstadt.

Vor lauter Hirnzellen sieht man den Gedanken nicht

Wie ist der Zusammenhang zwischen Gedanken und dem Gehirn? Kann auch in Transistoren und Mikrochips so etwas wie ein Gedanke entstehen? Schon seit Jahrzehnten wird versucht, Antworten auf solche Fragen zu finden – meist durch das Analysieren der Grundstrukturen auf kleinster Skala, in der Hoffnung, dass sich die großen Zusammenhänge daraus erklären lassen. Über die Funktionsweise einzelner Nervenzellen wissen wir heute eine ganze Menge, und am Computer können neuronale Netze geschaffen werden, die das Zusammenspiel vieler Nervenzellen simulieren. Nervenaktivität in genau definierten Gehirnbereichen lässt sich durch präzise Messmethoden feststellen. Von Psyche versteht man allerdings noch nicht das Geringste, wenn man auf dieser Ebene bleibt. „Wir könnten ja schließlich auch kein Computerprogramm verstehen, indem wir die Aktivität irgendwelcher Transistoren vermessen“, meint Prof. Dietrich.

Erst die Struktur, dann die Details

Am Institut für Computerwissenschaften der TU Wien wird der umgekehrte Weg beschritten. Anstatt aus simplen Bausteinen Komplexeres zu entwickeln, beginnt man auf der komplexen Seite, bei der „Psychoanalyse“ des Computers. So soll die Steuerungssoftware für Roboter eine Struktur bekommen, die Freuds Verständnis der Psyche nachempfunden ist: Die Maschine bekommt ein „Ich“, ein durch Wert- und Moralvorstellungen geprägtes „Über-Ich“ und ein triebhaftes „Es“. Ähnlich wie ein Mensch bewegt sie sich gewissermaßen zwischen inneren Trieben und moralischen Handlungsnormen. „Warum soll nicht eine automatisierte Küche einen Reinlichkeitstrieb haben können? Warum soll ein Roboter in der Autofabrik nicht den inneren Drang verspüren können, eine Karosserie möglichst sauber zu lackieren?“ fragt sich Dietmar Bruckner. Schon vor der Programmierarbeit werden grobe Schaltpläne gezeichnet, in denen das Zusammenspiel von „Trieben“, inneren „Wertvorstellungen“ und dem tatsächlichen  Verhalten der Maschine festgelegt wird.

Freuds Widersprüche durch Computerwissenschaft gelöst

Diese neue Herangehensweise verändert nicht nur die Computertechnik, auch in die Psychoanalyse werden dadurch neue Sichtweisen hineingetragen. „Natürlich gibt es in diesen beiden Disziplinen ganz unterschiedliche Denk-Traditionen“, weiß Prof. Dietmar Dietrich aus Erfahrung. Beide Seiten können voneinander lernen. Auf Fragestellungen der Psychoanalyse kann die naturwissenschaftliche Herangehensweise ein neues Licht werfen. So hat etwa Freud selbst die Psyche auf zwei verschiedene Arten eingeteilt: Neben der Dreiteilung „Über-ich, Ich, Es“ verwendete er auch die Kategorien „unbewusst, vorbewusst, bewusst“. In der Psychoanalyse sind diese beiden Kategorisierungen nicht wirklich vereinbar. In der Computertechnik allerdings ist dieser scheinbare Widerspruch kein Problem: „In der Datenverarbeitung lernt man vom ersten Tag an, Daten von Funktionen zu unterscheiden“, erklärt Prof. Dietmar Dietrich. Daten können widersprüchlich oder unvollständig sein, Funktionen sind dazu da, um die Daten auf eindeutige Weise zu verarbeiten. „Die Teilung in ‚unbewusst‘, ‚vorbewusst‘ und ‚bewusst‘ bezieht sich auf die Daten unseres Denkens“, erklären Bruckner und Dietrich. „Die Einteilung Über-ich, Ich und Es hingegen beschreibt unterschiedliche Funktionen.“

Vom Gehirn lernen, nicht Gehirne nachbauen

Science-fiction-artige Visionen von selbstbewussten Toastern oder manisch-depressiven Sportwägen sind freilich völlig unbegründet. Das Ziel der Forschungsarbeit ist es nicht, in Maschinen menschliches Denken zu simulieren. „Wir wollen das Funktionsprinzip des Gehirns für unsere Technologie nützen – nicht ein Gehirn nachbauen“, betont Prof. Dietrich. In ähnlicher Weise hat man schließlich auch vom Flugverhalten der Vögel viel für den Flugzeugbau gelernt – und trotzdem waren Flugzeuge niemals nachgebaute Vogelkörper. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at