Archiv des Monats: März 2012

Hotspots für die Bildung kleiner RNA-Moleküle in Pflanzenzellen entdeckt

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 14.03.2012

Heidelberger Wissenschaftler untersuchen die Feinabstimmung der Proteinproduktion

Pflanzen bilden während ihrer Lebensdauer Blätter und seitliche Wurzeln heraus. Die Gemeinsamkeit dieser zwei Arten von Organen besteht darin, dass ihre Entwicklung durch kleine regulatorische RNA-Moleküle, die trans-acting short interfering RNAs (ta-siRNAs) genannt werden, feinabgestimmt wird. Die Wissenschaftler Dr. Alexis Maizel und Virginie Jouannet vom Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg konnten zeigen, wo und wie innerhalb der Pflanzenzelle diese ta-siRNAs gebildet werden. Ihnen ist es gelungen, Hotspots für die Bio­genese dieser speziellen RNA-Moleküle zu identifizieren. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden im „EMBO Jour­nal“ veröffentlicht.

Die Bildung von Pflanzenorganen ist gekoppelt an Proteine, die es Zellen erlauben, sich zu teilen und neue Formen und Charakteristika anzunehmen. Der unmittelbare Weg zur Proteinproduktion beginnt, wenn Gene aktiviert und in Botenstoff-RNAs transkribiert werden. Diese Botenstoff-RNAs werden dann in Proteine übersetzt. Die Zellen passen jedoch oft das Vorkommen von Proteinen an, indem sie für die Feinabstimmung der Proteinpopulation kurz eingreifende RNAs produzieren: Diese sogenannten short interfering RNAs (siRNAS) – zu denen die trans-acting short interfering RNAs gehören – sind kleine regulatorische Moleküle, die sich an die Botenstoff-RNAs andocken und bei ihnen bewirken, dass sie abgebaut werden, bevor sie für die Proteinproduktion benutzt werden können. Forscher haben bereits herausgefunden, dass ta-siRNAs die Bildung von Blättern und das Wachstum von seitlichen Wurzeln feinabstimmen, indem sie die Produktion bestimmter Proteine blockieren. Wo genau in der Pflanzenzelle die ta-siRNAs gebildet werden, war jedoch bislang unbekannt.

Die ta-siRNAs werden aus längeren RNA-Molekülen geschaffen, die durch einen Komplex anderer Moleküle ver­kürzt werden. Eine wesentliche Komponente dieser Kürzungsvorrichtung ist ein Protein namens AGO7. Die Heidel­berger Wissenschaftler haben nun entdeckt, dass sich AGO7 in punktartigen Strukturen (foci) ansammelt. Bei diesen foci handelt es sich um die siRNA-Körper, die sich im Zellplasma der Zelle befinden. Dabei enthalten diese siRNA-Körper neben AGO7 alle anderen Enzyme, die erforderlich sind für die Erzeugung von ta-siRNAs. „Daher sind diese foci Hotspots für die Bildung der siRNAs, also kleiner regulatorischer RNA-Moleküle“, erklärt Virginie Jouan­net, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Dr. Maizel. Zusätzlich konnten die Forscher zeigen, dass AGO7 nicht mehr seine Funktionen erfüllt, wenn es von den siRNA-Körpern abgelöst wird, was zu Problemen in der Entwick­lung der Pflanze führt.

Die beiden Forscher haben zwei weitere wichtige Beobachtungen gemacht. Danach sind die siRNA-Körper eng mit dem Netzwerk von Membranen verbunden, die die Zelle benutzt, um Proteine zu transportieren und abzusondern. „Außerdem beherbergen diese punktartigen Strukturen interessanterweise auch Viren, und Pflanzen verteidigen sich mit siRNAs gegen Viren“, erläutert Dr. Maizel. „Diese Ergebnisse verweisen zum einen auf eine bisher unbe­kannte Rolle von Membranen bei der Biogenese von RNA und deuten zum anderen darauf hin, dass die Bildung von siRNA nur in bestimmten Orten in der Zelle stattfinden kann.“

Dr. Maizel leitet eine unabhängige Forschungsgruppe am Centre for Organismal Studies der Universität Heidelberg und ist Mitglied im Exzellenzcluster CellNetworks der Ruperto Carola. Die Forschungsarbeiten wurden zusammen mit Wissenschaftlern des Institut des Sciences du Végétal am Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Gif-sur-Yvette sowie des Institut Jean-Pierre Bourgin am Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) in Versailles (Frankreich) durchgeführt.

Originalpublikation:
V. Jouannet, A.B. Moreno, T. Elmayan, H. Vaucheret, M.D. Crespi & A. Maizel: Cytoplasmic Arabidopsis AGO7 accu­mulates in membrane-associated siRNA bodies and is required for ta-siRNA biogenesis, The EMBO Journal, 10 February 2012, doi:10.1038/emboj.2012.20

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

Züge im Leichtbauformat

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2012

Je weniger Züge wiegen, desto sparsamer fahren sie. Ein neues Material hält nun auch extremen Belastungen stand. Es eignet sich etwa für die Dieselmotoreinhausungen von Zügen – dieses Bauteil wird dadurch 30 Prozent günstiger und über 35 Prozent leichter als das Gegenstück aus Stahl und Aluminium.

Autos und Züge sollen energiesparender werden – die Hersteller versuchen daher, die gängigen Materialien durch leichtere zu ersetzen. Eine Hürde dabei: Die leichten Materialien sind nicht genauso belastbar wie Stahl und Aluminium, die Werkstoffe können nicht eins zu eins ersetzt werden. Vielmehr müssen die Hersteller abwägen, welche Bauteile abspecken dürfen und wie sich diese in das Gesamtsystem integrieren lassen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal haben nun ein Polyurethan-basierendes Sandwichmaterial entwickelt, das extrem belastbar ist – gemeinsam mit Bombardier GmbH, Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, Bayer MaterialScience AG, der DECS GmbH, dem DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte, der Universität Stuttgart und dem Karlsruher Institut für Technologie. »Als Demonstrator haben wir daraus zunächst ein Bauteil hergestellt, das stark beansprucht wird und viele Anforderungen erfüllen muss: die Dieselmotoreinhausung von Zügen«, sagt Jan Kuppinger, Wissenschaftler am ICT. Diese Einhausung befindet sich unter der Fahrgastzelle, also zwischen Abteil und Schienen. Hier schützt sie den Motor vor Steinschlägen und die Umgebung vor eventuell ausgelaufenem Öl. Im Brandfall verhindert sie, dass sich die Flammen ausbreiten und erfüllt somit die geforderten Flamm- und Brandschutznormen für Schienenfahrzeuge. »Mit dem neuen Material können wir das Gewicht der Bauteile um mehr als 35 Prozent reduzieren, und die Kosten um 30 Prozent«, sagt Kuppinger.

Die Stabilität des Bauteils erreichen die Forscher durch einen Sandwich-Aufbau: Außen befindet sich jeweils eine glasfaserverstärkte Polyurethanschicht, innen ein Kern aus Pappwaben. Polyurethan ist ein Massenkunststoff aus zwei Komponenten, den man an verschiedene Anforderungen anpassen kann, er wird daher auch als „Werkstoff nach Maß“ bezeichnet. Aufgeschäumt ist er weich und dient beispielsweise als Material für Matratzen, in seiner kompakten Form dagegen ist er fest und hart. Die Forscher haben das Polyurethan durch verschiedene Zusätze zunächst so verändert, dass es die Brandschutznormen erfüllt. In einem zweiten Schritt haben die Partner das hierfür gängige Fertigungsverfahren, das Fasersprühen, optimiert: Sie haben einen Mischkopf entwickelt, mit dem sie auch komplexe Strukturen in der benötigten Größe herstellen können. Die hergestellte Dieselmotoreinhausung ist etwa 4,5 Meter lang und über zwei Meter breit. »Erstmals ist es gelungen, über dieses Verfahren ein so großes und komplexes Bauteil herzustellen, das den strukturellen Anforderungen genügt«, erläutert Kuppinger. Ein Problem beim Fasersprühen lag bisher darin, dass die Dicke der entstandenen Polyurethan-Sandwichdeckschichten nicht genau bestimmt werden konnte. Dies ist den Forschern nun gelungen: Sie haben die hergestellten Schichten mit einem Computer-Tomographen untersucht und über eine angepasste Auswerteroutine die genaue Schichtdicke ermittelt. Diese Informationen helfen dabei, die Festigkeit des Bauteils zu simulieren – und somit zu wissen, welche Belastung es aushält.

Einen Demonstrator der Dieselmotoreinhausung haben die Wissenschaftler in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekt PURtrain bereits hergestellt. Er hat den ersten Festigkeitstest mit Bravour bestanden: Dabei haben die Wissenschaftler in einem Versuchsstand Kräfte auf verschiedene Stellen des Demonstrators ausgeübt und gemessen, wie stark er sich verformt. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher das Bauteil in einem realen Feldversuch testen. Verläuft er erfolgreich, dann können aus dem Material auch Dachsegmente, Seitenklappen und Windabweiser für die Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie gefertigt und der Herstellungsprozess auf mittlere Stückzahlen zwischen 250 und 30 000 übertragen werden.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Elektronen surfen auf der Lichtwelle

Veröffentlicht am von

Presseinformation der Universität Göttingen vom 07.03.2012

Göttinger Wissenschaftler beschleunigen Elektronen mit Laserpulsen und Nanotechnologie

(pug) Aus einer mit Licht bestrahlten Metalloberfläche treten Elektronen aus – dieses Phänomen ist auch als photoelektrischer Effekt bekannt. In den aktuellen Experimenten von Göttinger Wissenschaftlern schlagen ultrakurze infrarote Laserpulse Elektronen aus Goldspitzen mit wenigen Nanometern Größe heraus, und zwar innerhalb weniger Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Nach der Schulbuchbeschreibung des Photoeffekts – für die Albert Einstein den Nobelpreis erhielt – dürften dabei jedoch gar keine Elektronen emittiert werden, weil die Energie eines Infrarot-Photons dafür nicht ausreicht. Die Forscher der Universität Göttingen haben jetzt jedoch gezeigt, dass sich die Elektronen bei sehr starken Laserfeldern und in Nanostrukturen völlig neuartig verhalten. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Bei ihren Experimenten beobachten die Wissenschaftler vom Courant Forschungszentrum „Nanospektroskopie und Röntgenbildgebung“ der Universität Göttingen ein völlig anderes Verhalten als beim Photoelektrischen Effekt: „Normalerweise absorbiert ein Elektron genau ein Photon. Wir haben aber Elektronen gefunden, die – von der Lichtwelle getrieben – die Energie von über 1000 Photonen aufgenommen haben“, erklärt Georg Herink, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Göttinger Arbeitsgruppe. In den starken infraroten Lichtfeldern an der Spitze der Nanostruktur wächst die Energie der Elektronen mit der Lichtintensität und der Wellenlänge – zwei Abhängigkeiten, die in direktem Gegensatz zum üblichen Photoeffekt stehen. Die Energie der Elektronen wächst dabei auf eine Weise, die stark von der Form der Nanostruktur abhängt.

Wie der Leiter der Studie, Prof. Dr. Claus Ropers, erläutert, schlägt die neu beobachtete Elektronendynamik ein weiteres Kapitel in der hundertjährigen Physik des Photoeffekts auf. „Neben seiner Bedeutung für ein fundamentales Verständnis des Photoeffekts haben die Ergebnisse auch eine praktische Bedeutung: Sie zeigen uns neue Wege für die Realisierung ultraschneller Elektronenmikroskope auf, um mit kontrollierten Elektronenpulsen atomare Vorgänge zeitlich aufzulösen und die Schnappschüsse zu bewegten Bildern verbinden zu können“, sagt Prof. Ropers.

Originalveröffentlichung:
Georg Herink et al. Field-driven photoemission from nanostructures quenches the quiver motion. Nature March 2012. Doi: 10.1038/nature10878.

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Bakterien mit sozialer Ader

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 08.03.2012

Kooperation mathematisch auf die Spur kommen

Nach einer etwas naiven Lesart sollte die Darwinsche Evolutionstheorie kooperatives Verhalten nicht erwarten lassen. Schließlich ist soziales Verhalten für das Individuum mit erhöhten Kosten verbunden, während die Gesamtpopulation profitiert. Doch eine soziale Ader lässt sich selbst bei Mikroben finden. So kooperieren etwa manche Bakterien, indem sie Stoffe produzieren, die der gesamten Kolonie zugute kommen – während sich die Kooperatoren selbst langsamer vermehren als ihre „unsozialen“ Artgenossen. Der LMU-Physiker Professor Erwin Frey hat nun mit seinen Mitarbeitern Dr. Jonas Cremer und Dr. Anna Melbinger mithilfe mathematischer Modelle die zugrunde liegenden Mechanismen ergründet. „Kooperation kann durch die Tatsache erklärt werden, dass bakterielle Kolonien stark wachsen und sich immer wieder neu bilden,“ sagt Frey. „Wir haben nun erstmals gezeigt, dass ein einziges kooperatives Bakterium in einer ganzen Population Kooperation etablieren kann.“ Die Studie wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) durchgeführt. (Scientific Reports online, 21. Februar 2012)

Bestimmte Bakterien können einen Stoff produzieren, der die gesamte Kolonie gegen manche Antibiotika resistent macht. Während sich die Kolonie dann schnell vergrößern kann, vermehren sich die kooperierenden Mikroben langsamer. „Wenn sie aussterben, ist das für die Gesamtpopulation schlecht“, sagt Co-Autorin Anna Melbinger. „Der Nachteil eines Kooperators kann aber durch den evolutionären Vorteil der Kolonie kompensiert werden.“

Auf welchen Mechanismen dieses Gleichgewicht beruht, konnte bislang nicht im Detail geklärt werden. Freys Arbeitsgruppe konstruierte ein mathematisches Modell, um das Wachstum von Bakterien in mehreren Kolonien zu simulieren. Die Mikroben  bilden kleine Kolonien, die abhängig vom Anteil an Kooperatoren wachsen. Aus dieser Population können sich neue Kolonien bilden – und der Zyklus beginnt erneut.

Die Analyse des Models deckte nun zwei Mechanismen auf, die Kooperation ermöglichen. So können sich durch Zufall rein kooperative Kolonien bilden, in denen Kooperatoren ihre Vorteile ausspielen, ohne von nicht kooperierenden Bakterien „ausgenutzt“ zu werden. „Gibt es einen hinreichend großen Anteil an Kooperatoren in der Population, können alle nicht kooperierenden Bakterien sogar aussterben“, so Cremer.

Im zweiten Szenario dagegen vermehren sich Kolonien mit einem großen Anteil an Kooperatoren schneller als solche mit wenig „sozial gesinnten“ Individuen. Dieser Mechanismus kann sogar greifen, wenn anfänglich nur wenige Kooperatoren vorhanden sind. Dann aber kann sich möglicherweise eine einzelne, zufällig entstandene kooperative Mutante durchsetzen.

Insgesamt wurde deutlich, dass sich Kooperation stabil in Populationen halten kann, wenn sich Kolonien immer wieder neu bilden und wachsen können. „Wie wir jetzt erstmals mit Hilfe eines mathematischen Modells erklären können, erhalten einzelne Mikroben, die aufgrund zufälliger genetischer Veränderungen zu Kooperatoren geworden sind, auf diesem Weg die Chance, in der gesamten Population kooperatives Verhalten dauerhaft zu etablieren“, sagt Frey. (CR/suwe)

Publikation:
„Growth dynamics and the evolution of cooperation in microbial populations“
Jonas Cremer, Anna Melbinger & Erwin Frey,
Scientific Reports online, 2, 281 (21. Februar 2012).
doi: 10.1038/srep00281

Externer Link: www.uni-muenchen.de

„Hüpfende“ Moleküle revolutionieren Oberflächenbearbeitung

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 08.03.2012

Regensburger Forscher entwickeln neues Verfahren, um Oberflächen von Isolierschichten im molekularen Bereich bearbeiten zu können.

Rastersondenmikroskope haben uns in den letzten Jahrzehnten faszinierende Einblicke in die Welt der Atome und Moleküle beschert. Die Entwicklung von speziellen Rastersondenmethoden hat es zudem ermöglicht, künstliche Strukturen auf Materialoberflächen Atom für Atom und damit präzise aufzubauen. Dabei werden unterschiedliche Atome auf eine Oberfläche aufgebracht und dann mithilfe einer ganz feinen Nadel – eins nach dem anderen – an den richtigen Platz manövriert. Diese sogenannte atomare Manipulation gelang allerdings bisher nur auf der Oberfläche von Metallen und Halbleitern, nicht aber auf Isolatoren.

Einem Forscherteam der Universität Regensburg ist in diesem Zusammenhang ein wichtiger Schritt gelungen. Dr. Ingmar Swart und seine Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik konnten organische Moleküle, die auf der Oberfläche von ultradünnen Isolierschichten anhaften, gezielt verschieben. Die Wissenschaftler benutzten dazu zunächst die Spitze eines Rastertunnelmikroskops für die Platzierung der Moleküle auf der Oberfläche. Der Trick bestand nun darin, die Moleküle mithilfe von Strom anzuregen und zum „Hüpfen“ zu bringen. Auf dieser Grundlage konnten die Moleküle gezielt verschoben und in die gewünschte Richtung bewegt werden.

Die Technik konnte von den Regensburger Forschern bereits mit unterschiedlichen organischen Molekülen erfolgreich durchgeführt werden. Das neue Verfahren eröffnet die Möglichkeit, in Zukunft ganze Molekülstrukturen auf der Oberfläche von Isolierschichten zu platzieren und anzupassen. Dies könnte einen Durchbruch für die sogenannte molekulare Elektronik bedeuten, bei der einzelne Moleküle die Schaltelemente heutiger Halbleiterbauelemente ersetzen sollen.

Das Regensburger Forscherteam wird von Prof. Dr. Jascha Repp geleitet, der seit 2007 an der Universität Regensburg eine Lichtenberg-Professur inne hat, die die VolkswagenStiftung mit rund 1,5 Millionen Euro finanziert.

Die Ergebnisse der Regensburger Wissenschaftler sind vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“ erschienen (DOI: 10.1021/nl204322r). (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de