TU Wien optimiert chemische Wärmespeicher

Presseaussendung der TU Wien vom 17.01.2018

Energie chemisch speichern und wieder freisetzen – dieses vielversprechende Konzept wird an der TU Wien erforscht. Nun gelang ein wichtiger Schritt auf der Suche nach dem passenden Material.

Das Grundprinzip kennt man schon aus der Antike: Schon damals wurde Kalk gebrannt und gelöscht. Man führt dem Kalkstein im Brennofen Energie zu und löst dadurch eine chemische Reaktion aus. Das Produkt ist Branntkalk, in dem ein Teil der zugeführten Energie gespeichert bleibt, bis man ihn mit Wasser ablöscht. Dabei entsteht Löschkalk, und die Energie wird in Form von Hitze wieder abgegeben.

Ganz ähnliche Möglichkeiten des chemischen Energiespeicherns untersucht man an der TU Wien. Ein wichtiger Durchbruch gelang jetzt auf dem Weg zum Magnesium-Wärmespeicher: Mit quantenchemischen Rechnungen, aufwändigen Experimenten und hochentwickelter Analysetechnik fand man das optimale Magnesium-basierte Speichermaterial: Aus einer speziellen Mischung aus Magnesium und Calcium lässt sich eine Struktur herstellen, die sich bestens als Wärmespeicher für Industrieanlagen eignet.

Eine Frage des Materials

„Wir haben uns in den letzten Jahren intensiv mit der Frage beschäftigt, welche Materialien und welche chemischen Reaktionen sich am besten zum Speichern von Abwärme eignen“, sagt Peter Weinberger vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien. Welcher chemische Speicher sinnvoll ist, hängt ganz entscheidend von der verfügbaren Temperatur ab: Das wohlbekannte Kalkbrennen etwa funktioniert nur bei sehr hohen Temperaturen. Für Abwärme mit einer Temperatur von unter 400°C, wie sie in der Industrie oft anfällt, braucht man andere Reaktionen.

„Man hat daher schon längere Zeit mit Magnesiumoxid experimentiert – allerdings mit recht gemischtem Erfolg“, berichtet Weinberger. „Magnesiumoxid reagiert zwar genau im richtigen Temperaturbereich, aber wie sich herausstellte, ist es sehr schwer, die Reaktion vollständig ablaufen zu lassen.“ Das liegt an recht komplizierten Prozessen auf mikroskopischer Skala. So können sich etwa winzige Partikel bilden, die nur an ihrer Oberfläche chemische Reaktionen erlauben, während ihr Inneres abgeschirmt bleibt. Auch die genaue Form der Kristallstruktur, die das Magnesiumoxid ausbildet, spielt eine wichtige Rolle für die Effizienz der Reaktion.

Doch wie kann man die Eigenschaften von Magnesiumoxid grundlegend verbessern? Um dieses Problem zu lösen, musste die Expertise mehrerer Arbeitsgruppen gebündelt werden: „Ursprünglich entstand das Projekt bei unseren Kollegen an der Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften, im Team von Prof. Andreas Werner“, sagt Peter Weinberger. „Entscheidende Ideen kamen zunächst von meinem Postdoc Danny Müller, und bald waren alle vier Chemie-Institute der TU Wien bei dem Projekt dabei, dazu kam noch unser Röntgenzentrum. Das ist sehr ungewöhnlich, war aber die einzige Chance, einem so schwierigen Problem auf den Grund zu gehen.“

Die perfekte Mischung

Computersimulationen ergaben, dass die Effizienz des Prozesses vom Abstand zwischen den einzelnen Atomen abhängt: Die Magnesium-Atome im Magnesium-Oxid sitzen einfach ein bisschen zu nahe beisammen. Dadurch gelingt es ihnen nicht optimal, beim Löschen die Wassermoleküle zu spalten. Da sich die fundamentalen Eigenschaften eines Atoms nicht ändern lassen, blieb nur eine Alternative: Man fügte Fremdatome in das Magnesium-Oxid ein.

„Quantenchemische Berechnungen sagten voraus, dass ein Beimischen von 10% Calcium optimal sein sollte, sofern es gelingt, Magnesium und Calcium auf atomarer Ebene gründlich durchzumischen – das hätte man eigentlich nicht erwartet“, sagt Peter Weinberger. Doch man versuchte es und hatte tatsächlich Erfolg: In genau der richtigen Mischung lassen sich tatsächlich 100% des Magnesium- und Calcium-Oxids chemisch umsetzen – und zwar auf reversible Weise, sodass der Prozess in vielen Zyklen immer und immer wieder ablaufen kann.

Nun soll dieser Prozess verfahrenstechnisch weiter verbessert werden. „Bis die Idee in der Industrie eingesetzt wird, müssen wir noch klären, wie man optimale Reaktoren baut und der Prozess möglichst effizient und kostengünstig abläuft. Aber wir wissen nun, dass die Grundidee funktioniert“, sagt Peter Weinberger. Weitere Versuchsanlagen sind an der TU Wien bereits in Planung. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Müller et al., Adv. Sustainable Syst. 2018, 2, 1700096

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Bei Zuckermangel in der Zelle leben Boten-RNAs länger

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.01.2018

Leidet eine Zelle unter Zuckermangel, speichert sie bestimmte Boten-RNAs, um so ihr Leben zu verlängern. Wie eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel nun herausfand, entscheidet das Protein Puf5p bei Zuckermangel in der Zelle darüber, ob eine Boten-RNA aufbewahrt oder abgebaut wird. Wie die in eLife veröffentlichte Studie zeigt, schickt das Protein die Boten-RNAs dazu in eine Zellorganelle, wo ihr Schicksal besiegelt wird.

Ist eine Zelle Stress ausgesetzt, sei es durch Mangel an Nährstoffen oder einem Zuviel an Spurenelementen, reagiert die Zelle unmittelbar darauf, um ihr Überleben zu sichern. Die Forschungsgruppe von Prof. Anne Spang am Biozentrum der Universität Basel hat nun untersucht, wie sich unterschiedlichen Stresssituation auf Prozesse in der Zelle auswirken.

Das Team fand heraus, dass sogenannte P-Bodies, kleine Zellorganellen, dabei eine wichtige Funktion übernehmen: Sie bauen nicht nur – wie bislang angenommen – die Boten-RNAs (mRNAs) ab, die in der jeweiligen Stresssituation für die Zelle unbrauchbar sind. Sie sorgen im Gegenzug ebenfalls dafür, dass Boten-RNAs, die für die jeweilige Stresssituation von Nutzen sind, gespeichert werden. Als mobile Träger von Erbinformationen sind mRNAs in der Zelle Vorlage für die Produktion lebenswichtiger Proteine. Mit Puf5p fand das Forschungsteam zudem genau das Protein, das die Entscheidung über das Schicksal der mRNAs fällt.

Protein entscheidet über das Schicksal von mRNAs

Spang und ihr Team haben am Beispiel der Hefezelle untersucht, welche Prozesse in der Zelle bei Zuckermangel ablaufen und haben diese mit anderen Stresssituationen verglichen. Es zeigte sich, dass die P-Bodies, bei Zuckermangel vermehrt sogenannte mitochondriale mRNAs einlagern. Die Produkte der mRNAs sorgen dafür, dass der Energiestoffwechsel in den Kraftwerken der Zelle, den Mitochondrien, umgestellt wird. «Nur so lässt sich das weitere Überleben der Zelle gewährleisten», sagt Spang. Zeitgleich werden in den P-Bodies alle mRNAs abgebaut, die in dieser Mangelsituation unnötig sind. Bislang ging man davon aus, dass P-Bodies lediglich für den Abbau von mRNAs zuständig sind.

Zudem gelang es den Forschenden, den Entscheidungsträger für diese Selektion zu identifizieren: «Wir konnten zeigen, dass das Protein Puf5p im Vorfeld über das jeweilige Schicksal einer mRNA entscheidet und diese zum Ort des Geschehens, den P-Bodies, transportiert», berichtet Spang.

Bei Stress leben Zellen länger

Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen der Vergangenheit haben gezeigt, dass sich gewisser Stress, insbesondere Nährstoffmangel, positiv auf die Lebenserwartung einer Zelle und auch auf den Menschen auswirken kann. Die Untersuchung von Spang liefert nun einen weiteren Baustein, um die genauen Prozesse, die den lebensverlängernden Prozessen zugrunde liegen, zu verstehen. «Auch die Speicherung von mRNAs in den P-Bodies bei Zuckermangel scheint für die gesamte Lebensdauer einer Zelle von Vorteil zu sein», so Spang.

Originalbeitrag:
Congwei Wang, Fabian Schmich, Sumana Srivatsa, Julie Weidner, Niko Beerenwinkel and Anne Spang
Context-dependent deposition and regulation of mRNAs in P-bodies
eLife (2018), doi: 10.7554/eLife.29815

Externer Link: www.unibas.ch

Bioinformatiker der Saar-Uni berechnen die Gensequenzen beider Elternteile

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.01.2018

Bei der Analyse des menschlichen Genoms blieben Forscher bisher eine Antwort schuldig: Sie konnten nicht sagen, wie sich die beiden von Mutter und Vater vererbten Varianten eines Gens unterscheiden. Dabei erhöht diese Information die Wahrscheinlichkeit, bestimmte Krankheiten erfolgreich zu behandeln. Die so genannte dritte Generation von Sequenzierungstechnologien macht dies nun möglich. Eines der wichtigsten Hilfsmittel für dieses komplexe Puzzle: Eine spezielle Software, entwickelt von Wissenschaftlern am Zentrum für Bioinformatik der Universität des Saarlandes. Die renommierte Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichtet daher gleich zweimal über ihre Forschung.

Den Menschen machen 46 Chromosomen aus. Sie tragen die Gene und definieren das Erbgut, das sogenannte Genom. Damit sich die Anzahl der Chromosomen nicht von Generation zu Generation verdoppelt, sind lediglich 23 Chromosomen in der männlichen und weiblichen Keimzelle enthalten, die zu einer befruchteten Eizelle und damit neuem Leben verschmelzen. Diesen halben Chromosomensatz bezeichnet man als „haploid“. „Welche Genvarianten ich von meinem Vater oder meiner Mutter erhalte, kann darüber entscheiden, ob ich krank werde und auch, wie ich am besten medizinisch behandelt werden kann“, erklärt Tobias Marschall, Professor für Bioinformatik an der Universität des Saarlandes. Dort leitet er die Gruppe „Algorithms for Computational Genomics“ am Zentrum für Bioinformatik.

Analysieren zu können, welche Genvarianten von welchem Elternteil vererbt wurden und damit den sogenannten Haplotyp zu bestimmen, ist der neue Quantensprung bei der Sequenzierung des menschlichen Genoms. Zwei Entwicklungen sind hierfür entscheidend: Zum einen liefern die sogenannten Sequenziertechnologien der dritten Generation, etabliert von Unternehmen wie Oxford Nanopore, 10x Genomics und Pacific Biosciences, eine andere Art von Gendaten. „Durch sie bekommen wir nun viel längere Gen-Schnipsel und können damit nun endlich das praktizieren, was wir in der Theorie schon lange studiert haben“, so Marschall. An der zweiten Voraussetzung ist er aktiv beteiligt. Er entwickelt die Rechenverfahren, die diese Gendatenberge beherrschbar machen. Ein Teil davon ist auch in die Software eingeflossen, die Marschall mit seinen Kollegen entwickelt und auf den Namen „WhatsHap“ getauft hat.

„Stellen sie sich ein äußerst schwieriges Puzzle vor. Mit ‚WhatsHap‘ lösen wir gleich zwei davon und zwar gleichzeitig“, umschreibt Marschall das Vorgehen der Software. Der Bioinformatiker ist überzeugt, dass mit Hilfe solcher Programme in absehbarer Zeit die Bestimmung des Haplotyps ebenso zu einer Routineuntersuchung in Krankenhäusern wird, wie es die Bestimmung der Blutgruppe bereits heute ist. Die beiden Aufsätze in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ sind für ihn dafür der erste Meilenstein.

Die Relevanz dieser Arbeiten bekräftigte auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), indem sie vergangene Woche die finanzielle Förderung von gleich zwei Projekten bekannt gab, die mit „WhatsHap“ zusammenhängen. Im ersten Projekt wird Professor Marschall gemeinsam mit Professor Gunnar Klau von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf an noch leistungsfähigeren Rechenverfahren zur Haplotypisierung arbeiten. Im zweiten Projekt fördert die DFG im Rahmen der Initiative „Nachhaltigkeit von Forschungssoftware“ die dauerhafte Pflege der WhatsHap-Software und ebnet so den Weg in den klinischen Alltag. Insgesamt stehen für diese Projekte 800.000 Euro zur Verfügung, von denen 550.000 Euro an die Saar-Uni fließen, um dort neue Stellen für Forscher und Entwickler zu schaffen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Mit nachgebauten Naturstoffen gegen Bakterien

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 20.12.2017

Mit chemisch nachgebauten Naturstoffen will Thomas Magauer von der Universität Innsbruck Mittel gegen die weltweit zunehmenden Antibiotikaresistenzen finden. Biologische Analysen einer Gruppe von erstmals systematisch hergestellten Molekülen zeigen eine vielversprechende Wirkung zum Beispiel gegen multiresistente MRSA-Keime. Die synthetisch erzeugten Wirkstoffe lassen sich zudem chemisch weiter optimieren.

Durch den ungehemmten Einsatz von Antibiotika entwickeln Krankheitskeime immer häufiger Resistenzen. Seit der Entdeckung von Penicillin haben Antibiotika die Therapie von bakteriellen Erkrankungen revolutioniert, doch diese medizinischen Waffen könnte bald stumpf werden. Die Wissenschaft ist deshalb schon seit Jahren auf der Suche nach neuen Wirkstoffen. Thomas Magauer vom Institut für Organische Chemie der Universität Innsbruck orientiert sich dabei an Naturstoffen, für die es bereits Hinweise auf eine mögliche Wirkung gegen Bakterien gibt. Diese Moleküle setzt er im Labor neu zusammen und optimiert ihre Wirkung durch künstliche Anpassungen. In einer aktuellen Studie im Fachmagazin Nature Communications präsentiert Magauers Arbeitsgruppe nun einen modularen Ansatz zur chemischen Synthese einer ganzen Gruppe von Naturstoffen, denen antibakterielle, antivirale Eigenschaften sowie eine krebshemmende Wirkung nachgesagt wird. Trotz ihrer Ähnlichkeit gab es bisher nur vereinzelte Versuche, diese Naturstoffe zu synthetisieren und zu untersuchen. „Mit dem neuen Ansatz steht nun ein Werkzeug zur Verfügung, um diese faszinierenden Familie von Naturstoffen genauer zu untersuchen“, freut sich Thomas Magauer, der seit August dieses Jahres eine Professur für Organische Chemie an der Universität Innsbruck innehat.

Wirkung gegen MRSA-Keime

Bisher wurden diese Stoffe aus Pilzen oder Meerespflanzen extrahiert. Dabei können allerdings oft nicht die notwendigen Mengen gewonnen werden. Mit dem neuartigen chemischen Baukasten der Innsbrucker Wissenschaftler lassen sich sechs dieser Naturstoffe sowie 15 davon abgeleitete künstliche Moleküle in wenigen Schritten erzeugen.

Gemeinsam mit der Forschungsgruppe um Mark Brönstrup am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig untersuchten die Forscher auch die biologische Wirkung der Moleküle. Für grampositive Bakterien konnte dabei eine sehr gute biologische Aktivität einiger dieser Moleküle nachgewiesen werden. Zwei dieser Moleküle, Strongylin A und ein vollsynthetisches Derivat, zeigen eine bedeutende antibiotische Wirkung gegen MRSA. Diese multiresistenten Keime aus der Gruppe der Staphylokokken spielen heute in Kliniken und Pflegeeinrichtungen als Verursacher von Infektionen eine wichtige Rolle. Inzwischen treten MRSA-Varianten auch in der normalen Umgebung auf. „Durch gezielte Modifikationen an den künstlich erzeugten Molekülen soll deren Wirkung noch weiter verstärkt werden“, blickt Thomas Magauer bereits in die Zukunft. „Wir wollen auch Wege finden, um gramnegative Bakterien zu bekämpfen.“ Finanziell unterstützt wird er dabei vom Europäischen Forschungsrat ERC und der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG.

Publikation:
A modular synthesis of tetracyclic meroterpenoid antibiotics. Raphael Wildermuth, Klaus Speck, Franz-Lucas Haut, Peter Mayer, Bianka Karge, Mark Brönstrup, and Thomas Magauer. Nature Communications 8: 2083 DOI: 10.1038/s41467-017-02061-7

Externer Link: www.uibk.ac.at

Die aufblasbare Brücke

Presseaussendung der TU Wien vom 18.12.2017

Mit einer neuen, an der TU Wien entwickelten Baumethode hat die ÖBB-Infrastruktur AG nun eine Wildbrücke an der zukünftigen Koralmbahn errichtet. Statt stützender Gerüste kam ein Luftkissen zum Einsatz.

Will man Brücken oder Kuppeln in gewöhnlicher Schalenbauweise errichten, dann muss man normalerweise ein teures Gerüst aufstellen. An der TU Wien wurde nun allerdings eine deutlich ressourcenschonendere und billigere Bautechnik entwickelt: Der Beton wird während des Bauprozesses nicht von einer Stützkonstruktion getragen, sondern von einem Luftkissen, das langsam aufgeblasen wird.

Erste Großversuche fanden bereits vor drei Jahren auf einem Testgelände der TU Wien statt, nun wurde die neue Methode erstmals in der Praxis eingesetzt. Die ÖBB-Infrastruktur AG wandte mit TU-Unterstützung das Bauverfahren erfolgreich an, um eine Wildbrücke über einen neugebauten Streckenabschnitt der Koralmbahn zu errichten.

Erst Platte, dann Kuppel, dann Brücke

Die Grundidee ist einfach: Wenn man eine Orangenschale regelmäßig einschneidet, kann man sie flach auf dem Tisch ausbreiten. Die an der TU Wien entwickelte „Pneumatic Forming of Hardened Concrete“ Baumethode funktioniert genau umgekehrt. Man beginnt mit einer ebenen Betonfläche, mit keilförmigen Aussparungen, die zu einer runden Kuppel wird. Unter der Betonplatte befindet sich ein riesengroßes Luftkissen aus Kunststoff, das langsam aufgeblasen wird, wenn der Beton ausgehärtet ist. Hydraulisch gespannte Stahlkabel sorgen dafür, dass der Beton während dieses Vorgangs die richtige Form annimmt.

„Der Aufblasvorgang dauerte ungefähr fünf Stunden, danach hatten wir eine längliche Betonkuppel mit einer Innenhöhe von 7.60m“, sagt Benjamin Kromoser vom Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien. Er hat die Baumethode im Rahmen seiner Dissertation bei Prof. Johann Kollegger entwickelt und beim aktuellen Projekt eng mit den ÖBB zusammengearbeitet. Um aus der Kuppel eine Brücke zu machen, wurde die Betonschale dann an beiden Enden abgeschnitten und mit einem Torbogen-Abschluss versehen. Die neue Koralmbahnstrecke wird unter der Brücke hindurchgebaut, außen an der Betonkonstruktion wird noch Erde angeschüttet, sodass Tiere in Zukunft problemlos über die Brücke auf die andere Seite der Bahnstrecke gelangen können.

Energie, Geld und Ressourcen sparen

Die Methode hat große Vorteile, verglichen mit herkömmlichen Brückenbautechniken: „Man benötigt ein kleines bisschen mehr Beton, aber dafür 40% weniger Stahl“, erklärt Benjamin Kromoser. Außerdem ist unsere Methode energieeffizienter, 40% der anfallenden CO2-Äquivalente können eingespart werden, und insgesamt ist die TU-Methode auch noch deutlich billiger. „Der Preis wird noch weiter sinken, wenn Baufirmen mehr Erfahrung mit der neuen Technik haben. Wir rechnen damit, dass unsere Methode schließlich Einsparungen in der Größenordnung von 15-30% bringt“, sagt Kromoser.

Die Idee, eine Betonkonstruktion ohne Gerüst, sondern durch kontinuierliche Verformung zu errichten, hatte Prof. Johann Kollegger schon vor mehreren Jahren. Seither arbeitet er mit seinem Team daran, alle technischen Hürden auf dem Weg zur Anwendung Schritt für Schritt zu beseitigen.

Dass eine wissenschaftliche Entwicklung innerhalb weniger Jahre den Weg in die Anwendung findet, ist im Baubereich nicht unbedingt üblich. „Wir sind wirklich froh, dass die ÖBB den Mut hatte, ein innovatives Verfahren auszuprobieren. Für die weitere Verbreitung der Methode ist es sehr wichtig, dass nun ein echter Prototyp fertiggestellt werden konnte“, sagt Johann Kollegger. „Besonders freut uns auch, dass sich unsere Berechnungen über die Ressourceneffizienz der Methode als richtig herausgestellt haben. Manchmal werden solche Ideen nur auf akademischem Niveau ausgearbeitet – aber wenn man eine neue Methode dann tatsächlich in der Praxis anwendet, stößt man auf viele Details, die es noch zu optimieren gilt. Daher war es für uns so spannend, das Projekt wirklich bis zur Fertigstellung begleiten zu können.“, sagt Benjamin Kromoser.

Die innovative Wildbrücke ist im Kärntner Abschnitt der Koralmbahn, einem Schlüsselprojekt der neuen Südstrecke der ÖBB-Infrastruktur AG situiert. Nach der Fertigstellung der Konstruktion und der Geländemodellierung werden nun hier die Erdbauarbeiten fortgesetzt, bevor in weiterer Folge die bahntechnische Ausrüstung für die Hochleistungs-Eisenbahnstrecke installiert wird. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at