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Magnesiummangel stoppt Wachstum von Krankheitserregern

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 21.11.2019

Dringen Krankheitserreger in die Körperzellen ein, bekämpft unser Körper sie mit verschiedenen Methoden. Eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel hat nun erstmals zeigen können, wie eine Pumpe in den Zellen die eingedrungenen Erreger in Schach hält. Wie die Forscher in «Science» berichten, erzeugt diese einen Magnesiummangel und hemmt dadurch das Bakterienwachstum.

Wenn Krankheitserreger einen Organismus befallen, ruft das sofort das Immunsystem auf den Plan, welches die Bakterien bekämpft. Um den patrouillierenden Abwehrzellen zu entkommen, nisten sich einige Bakterien in den Zellen des Wirts ein. Der Wirt hat jedoch Strategien entwickelt, um die im Zellinneren versteckten Keime in Schach zu halten.

Wie Olivier Cunrath und Prof. Dirk Bumann am Biozentrum der Universität Basel nun herausgefunden haben, ist Magnesium entscheidend für das Bakterienwachstum im Zellinneren. Magnesiummangel bedeutet Stress für die Bakterien. Die Erreger hören auf zu wachsen und sich zu vermehren. Die Wirtszelle erzeugt diesen Magnesiummangel durch ein Transportprotein, kurz NRAMP1.

Wirtsprotein legt Krankheitserreger lahm

Die Forscher haben in ihrer Studie Salmonellen untersucht, die unter anderem Magen-Darm-Grippe und Typhus verursachen. Sie nisten sich in kleinen Einschlüssen in den Fresszellen des Immunsystems, den sogenannten Makrophagen, ein. Ob und wie schnell sich die Salmonellen in den Einschlüssen vermehren und sich schliesslich weiterverbreiten, hängt stark von der Funktionstüchtigkeit des NRAMP1-Transporters ab.

«Man weiss schon seit langem, dass NRAMP1 mit der Widerstandsfähigkeit gegen Infektionen in Verbindung steht. Doch das Wie und Warum, waren nie ganz klar», sagt Bumann. «Wir waren sehr von der Tatsache überrascht, dass dieses Transportprotein Magnesiumionen aus den Zelleinschlüssen herauspumpt und die Salmonellen so ruhigstellt. Das ist ein ganz neuer, unerwarteter Mechanismus.»

Magnesium ist Achillesferse für Bakterien

Magnesium ist ein zentraler Bestandteil vieler Stoffwechselenzyme, daher schrauben die Bakterien bei einem Mangel ihren Stoffwechsel herunter und verlangsamen ihr Wachstum. «Magnesium ist für intrazelluläre Erreger die Achillesferse. Je weniger davon vorhanden ist, desto mehr lechzen sie danach. Die Bakterien geraten in Alarmbereitschaft und aktivieren ihrerseits alle Aufnahmesysteme für Magnesium. Trotzdem schaffen sie es nicht, genug davon zu bekommen», so Erstautor Cunrath. «Ist die Pumpe in den Wirtszellen hingegen defekt, haben die Salmonellen genügend Magnesium, um schnell zu wachsen.»

Transporter beeinflusst Widerstandskraft des Wirtes

Die Funktionstüchtigkeit von NRAMP1 spiegelt sich in der Anfälligkeit für Infektionen wider. Tiere und Menschen, die nur wenig NRAMP1 bilden, sind empfindlicher gegenüber verschiedenen intrazellulären Erregern. Fehlt dieser Transporter völlig, verläuft die Infektion bereits bei einer sehr geringen Erregerzahl tödlich.

Infektionen sind immer ein Wettkampf auf Zeit zwischen Wirt und Erregern. Mit neuen Medikamenten, die den Magnesiumhaushalt der Bakterien zusätzlich stören, könnte man die Erreger noch stärker ausbremsen und damit dem Wirt einen entscheidenden Vorteil verschaffen, um die Infektion zu besiegen.

Originalpublikation:
Olivier Cunrath and Dirk Bumann
Host resistance factor SLC11A1 restricts Salmonella growth through magnesium deprivation
Science (2019), doi: 10.1126/science.aax7898

Externer Link: www.unibas.ch

Weltrekord-Material macht aus Wärme Elektrizität

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Presseaussendung der TU Wien vom 14.11.2019

Ein neuartiges Material erzeugt aus Temperaturunterschieden sehr effizient elektrischen Strom. Damit können sich Sensoren und kleine Prozessoren kabellos selbst mit Energie versorgen.

Thermoelektrische Materialien können Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln. Das liegt am sogenannten Seebeck-Effekt: Wenn zwischen den beiden Enden eines solchen Materials ein Temperaturunterschied besteht, wird elektrische Spannung generiert und Strom kann fließen. Wie viel elektrische Energie bei einer gegebenen Temperaturdifferenz gewonnen werden kann, wird mit Hilfe des sogenannten ZT-Wertes gemessen: Je höher der ZT-Wert eines Materials ist, umso besser sind seine thermoelektrischen Eigenschaften. Beste bisherige Thermoelektrika kamen auf ZT-Werte von etwa 2,5 bis 2,8. Am Christian Doppler Labor für Thermoelektrische Materialien an der TU Wien gelang es nun, ein völlig neues Material zu entwickeln, mit einem ZT-Wert von 5 bis 6. Es handelt sich dabei um eine dünne Schicht aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium, aufgetragen auf einem Silizium-Kristall.

Das neue Material ist so effektiv, dass man es in Zukunft verwenden könnte, um Sensoren oder auch kleine Computerprozessoren mit Energie zu versorgen. Anstatt kleine elektrische Geräte an Kabeln anzuschließen, könnten sie ihren eigenen Strom aus Temperaturdifferenzen generieren. Im Fachjournal „Nature“ wurde es nun erstmals präsentiert.

Elektrizität und Temperatur

„Ein gutes thermoelektrisches Material muss einen großen Seebeck-Effekt besitzen und daneben zwei Anforderungen erfüllen, die schwer miteinander vereinbar sind“, sagt Prof. Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Einerseits soll es elektrischen Strom möglichst gut leiten; andererseits soll aber Wärme möglichst schlecht transportiert werden.“ Das ist eine Herausforderung, denn gewöhnlich hängen elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit eng miteinander zusammen.

Am Christian-Doppler-Labor für Thermoelektrizität, das Ernst Bauer 2013 an der TU Wien eröffnete, wurde in den letzten Jahren intensiv an unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien für unterschiedliche Einsatzzwecke gearbeitet. Und dabei stieß man nun auf ein ganz besonders bemerkenswertes Material – eine Kombination aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium.

„Die Atome in diesem Material sind normalerweise streng regelmäßig angeordnet, in einem sogenannten flächenzentrierten kubischen Gitter“, sagt Ernst Bauer. „Der Abstand zwischen zwei Eisenatomen ist immer gleich groß, dasselbe gilt für die anderen Atomsorten. Der ganze Kristall ist daher völlig regelmäßig aufgebaut.“ Wenn man das Material allerdings als dünne Schicht auf Silizium aufträgt, passiert etwas Erstaunliches: Die Struktur verändert sich radikal. Zwar bilden die Atome auch auf Silizium immer noch ein kubisches Muster, allerdings mit raumzentrierter Anordnung. Daher ist die Verteilung der unterschiedlichen Atomsorten nun völlig zufällig. „Da können zwei Eisenatome nebeneinandersitzen, die Plätze daneben sind von Vanadium oder Aluminium besetzt, und es gibt keine Regel mehr, die vorschreibt, an welchen Orten im Kristall wieder das nächste Eisenatom zu finden ist“, erklärt Bauer.

Durch diese Mischung aus Regelmäßigkeit und Unregelmäßigkeit der Atomanordnung verändert sich auch die elektronische Struktur, die bestimmt, wie sich Elektronen im Festkörper bewegen. „Die elektrische Ladung bewegt sich dann auf eine andere Weise durch das Material, sodass sie von Streuprozessen geschützt ist. Man spricht hier von sogenannten Weyl-Fermionen“, sagt Ernst Bauer. Auf diese Weise erreicht man einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Gitterschwingungen hingegen, die die Wärme von Orten hoher zu Orten niedriger Temperatur transportieren, werden durch diese Unregelmäßigkeiten im Kristallaufbau gestört. Die Wärmeleitfähigkeit sinkt. Das ist wichtig, wenn aus einem Temperaturunterschied dauerhaft elektrische Energie gewonnen werden soll – denn wenn Temperaturunterschiede sehr schnell ausgeglichen werden könnten, hätte bald das gesamte Material überall dieselbe Temperatur und der thermoelektrische Effekt käme zum Erliegen.

Strom für das „Internet of Things“

„Eine derart dünne Schicht kann natürlich keine beliebig großen Energiemengen generieren – aber dafür ist sie extrem kompakt und anpassungsfähig“, sagt Ernst Bauer. „Wir wollen damit eine Energieversorgung für Sensoren und kleine elektronische Anwendungen ermöglichen.“ Der Bedarf dafür wird immer größer: Im „Internet of Things“ werden unterschiedlichste Geräte online miteinander verknüpft, damit sie ihr Verhalten automatisch aufeinander abstimmen. Besonders zukunftsträchtig ist das in großen Produktionsanlagen, wo eine Maschine dynamisch auf den Zustand der anderen reagieren soll.

„Wenn man in einer Fabrik eine große Anzahl an Sensoren benötigt, kann man die nicht alle verkabeln, das würde irgendwann ein unüberblickbares Chaos ergeben“, meint Bauer. „Viel klüger ist es, wenn sich die Sensoren ganz von selbst mit Energie versorgen, etwa über ein kleines, effizientes thermoelektrisches Element, dass die Abwärme einer Maschine nutzt. Damit kann auch gleich ein kleiner Prozessor betrieben werden, der die Daten auswertet und dann per WLAN zur zentralen Steuereinheit schickt.“

Genau diesen Markt soll das neue thermoelektrische Material nun voranbringen. Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Thermoelektrizität an der TU Wien statt. Unternehmenspartner ist die Firma AVL Graz, wissenschaftliche Partner das „National Institute of Material Science, NIMS“, Japan und der „Chinese Academy of Sciences“, China. Gemeinsam mit dem Unternehmenspartner wurden bereits zwei Patente eingereicht – mit Unterstützung der Forschungs- und Transfersupports der TU Wien. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
B. Hinterleitner et al., Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy, Nature (2019)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Intelligente Kniebandage soll künftig bei Arthrose entlasten

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.11.2019

Sportwissenschaftler, Mediziner, Informatiker und Industriepartner entwickeln einen mit Sensoren bestückten Prototyp, der mit selbstlernenden Algorithmen Belastungen einschätzen soll

Die intelligente Kniebandage „Anthrokinemat“ soll Arthrose-Patientinnen und -Patienten künftig bei der richtigen Dosierung ihrer alltäglichen Bewegungen unterstützen. Dabei werden sämtliche relevanten Daten zur Belastung der Gelenke gesammelt und aufs Handy der Betroffenen übertragen. Die Grundlagen für die Entwicklung der Bandage haben in den vergangenen drei Jahren Sportwissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit Fördermitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) geschaffen. Partner sind die Universität Bremen sowie der Bandagen-Hersteller Bauerfeind und das Sensortechnikunternehmen ITP. In einem zweiten Forschungsprojekt soll nun ein Prototyp entwickelt werden.

„Bei der Prävention und der Behandlung einer Arthrose-Erkrankung spielt außer Gewicht und Ernährung vor allem das richtige Maß an Bewegung eine wichtige Rolle“, sagt Sportorthopäde Professor Stefan Sell vom Institut für Sport und Sportwissenschaft (IfSS) des KIT. Dieses richtige Maß zu finden, sei allerdings keine einfache Aufgabe und nur wenige Menschen und gut austrainierte Sportlerinnen und Sportler könnten die Signale ihres Körpers ohne fachliche Unterstützung richtig deuten. Der mit zahlreichen Sensoren ausgestattete Anthrokinemat soll Arthrose-Patientinnen und -Patienten deshalb vor dem Überschreiten der Belastungsgrenze per Warnsignal aufs Handy für mögliche Folgeschäden sensibilisieren. „Wer an Arthrose leidet, sollte sich am besten jeden Tag eine gewisse Zeit lang intensiv bewegen“, rät Sell. Eine übermäßige Belastung wie etwa eine mehrstündige Wanderung könne dagegen für Stress in den geschädigten Gelenken sorgen. Die Folge solcher Überbelastung seien oft wochenlange Schmerzen.

Maschinelles Lernen: Algorithmen trainieren mit Bewegungsdaten

Als größte Herausforderung bei der bisherigen Entwicklung der Bandage bezeichnet Professor Thorsten Stein, Leiter des BioMotion Centers am IfSS, die Suche nach einem passenden Algorithmus zum Quantifizieren der Kniebelastung. „Die Sensoren können lediglich Bewegung messen, nicht die Belastung an sich. Bei der Arthrose dürfen die Gelenke aber nicht allzu stark belastet werden – und deshalb müssen wir die Kräfte im Innern des Knies möglichst genau einschätzen können“, betont Stein. Zur Lösung dieses Problems sind Algorithmen des Maschinellen Lernens – künstliche neuronale Netze – im Einsatz. Dabei wird ein Algorithmus mit Bewegungsdaten trainiert: Der Algorithmus lernt im Laufe des Trainingsprozesses automatisch die mit einer Bewegung einhergehenden Kräfte im Knie zu schätzen. Teile dieser Forschungsergebnisse haben die Arbeitsgruppen von Sell und Stein bereits in der Fachzeitschrift Sensors publiziert.

„Die Arthrose ist eine echte Volkserkrankung“, sagt Stefan Sell. Laut den offiziellen Statistiken haben in Deutschland rund 35 Millionen Menschen radiologische Zeichen einer Arthrose und rund zehn Millionen davon sind manifest erkrankt. Weil der Gelenkverschleiß mit steigendem Alter zunimmt, leidet jeder vierte Bundesbürger über 50 Jahre und etwa 80 Prozent der über 75-Jährigen an einer Arthrose. Am häufigsten betroffen ist die Wirbelsäule, ebenfalls weit verbreitet sind Arthrosen an Knie- und Hüftgelenk. (eki)

Publikation:
Bernd J. Stetter, Steffen Ringhof, Frieder C. Krafft, Stefan Sell, Thorsten Stein: Estimation of Knee Joint Forces in Sport Movements Using Wearable Sensors and Machine Learning. Sensors, 2019. DOI: 10.3390/s19173690.

Externer Link: www.kit.edu

technologiewerte.de – MOOCblick November 2019

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Forensic Engineering: Learning from Failures
Michiel Schuurman (Delft University of Technology) et al.
Start: 19.11.2019 / Arbeitsaufwand: 18-24 Stunden

Externer Link: www.edx.org