Archiv der Kategorie: Hochschule

Wie laut ist Ihre Umgebung?

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Presseaussendung der TU Wien vom 29.01.2014

Lärm macht krank. Mit einer Handy-App, entwickelt von Sophisystems und der TU Wien, kann man nun erstmals abschätzen, ob durch den täglichen Lärm langfristig Gefahr besteht.

Lärm ist jedes Geräusch, das wir nicht hören wollen. Dazu gehört die Stereoanlage des Nachbarn ebenso wie Verkehrslärm oder ein Gespräch, an dem wir nicht teilhaben. Langfristig kann uns Lärm krank machen. Um Lärmgefahr zu erkennen, reichen keine Momentaufnahmen, es ist wichtig, den Lärmpegel über einen langen Zeitraum zu beobachten. Nun kann man von der Handy-App „Noise-O-Meter“, entwickelt von Sophisystems und der TU Wien, den Umgebungslärm mitverfolgen lassen und dadurch feststellen, ob man im Alltag gefährlich lärmbelastet ist.

Das Smartphone als Langzeit-Messgerät

Horst Eidenberger vom Institut für Softwaretechnik und interaktive Systeme der TU Wien beschäftigt sich mit interaktiven Medien – dazu gehört auch das Gebiet der Psychoakustik. Er ist selbst als Gutachter tätig und führt Lärmpegelmessungen durch. „Dazu benötigt man geeichte Instrumente, eine verlässliche, exakte Messung kann ein simples Handy natürlich nicht leisten“, sagt Eidenberger. Der Vorteil von Smartphones ist allerdings, dass man sie ständig dabei hat. Sie sind also perfekt geeignet, um über längere Zeiträume hinweg den Lärm-Verlauf zu beobachten.

Apps, die den momentanen Lärmpegel messen, gab es bereits – doch gerade die wichtige Funktion der Langzeit-Messung fehlte bisher. Diese Lücke konnte Horst Eidenberger gemeinsam mit Alexander Schatten, Geschäftsführer von Sophisystems, nun schließen. Die App „Noise-O-Meter“ misst den Lärmpegel permanent und schätzt nach psychoakustischen Berechnungen ab, ob die Umgebung gefährlich laut war. Dabei wird darauf geachtet, im Dauereinsatz möglichst wenig Akku-Leistung zu beanspruchen.

„Oft bemerkt man die Lärmbelastung gar nicht – zum Beispiel im Straßenverkehr, auf dem Weg zur Arbeit“, sagt Horst Eidenberger. Die App soll Bewusstsein schaffen und die User dazu bringen, gewisse schädliche Angewohnheiten zu überdenken.

Erstaunlich präzise Messungen

Auf zwölf verschiedenen Handy-Typen wurde die App getestet und mit Messungen kalibrierter Messgeräte verglichen. „Insgesamt sind die Abweichungen zwischen den Handy-Messungen und dem tatsächlichen Lärmpegel bei allen Handy-Modellen erstaunlich gering“, sagt Horst Eidenberger. Auch wenn das Handy also keine medizinisch verlässlichen Aussagen liefern kann: Für eine grobe Einschätzung, ob der eigene Alltag ausreichend ruhig oder gefährlich lärmbelastet ist, reichen handelsübliche Smartphones allemal. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Neues Wirkprinzip für Kaliumkanäle entdeckt

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 28.01.2014

Nervenzellen übertragen Informationen mithilfe von speziell für Kaliumionen durchlässigen Kanälen. Defekte Kaliumkanäle sind für Epilepsie und Depression mitverantwortlich. Die Forscher um Prof. Henning Stahlberg vom Biozentrum der Universität Basel ermittelten nun erstmals die vollständige 3-D-Struktur eines Kaliumkanals des Typs HCN. Daraus konnten sie Rückschlüsse über den Wirkungsmechanismus gewinnen, welchen sie in der aktuellen Ausgabe von «Nature Communications» beschreiben.

Nervenzellen leiten Informationen über elektrische Impulse durch unseren Körper. Ein zentrales Bauelement dieses elektrischen Schaltkreises sind Kaliumkanäle, die entweder durch einen Impuls oder auch durch Signalmoleküle gesteuert werden. Beim Menschen werden Fehlfunktionen solcher sogenannter HCN-Kaliumkanäle mit neuronalen Erkrankungen wie Epilepsie und Depression in Verbindung gebracht. Die Forschungsgruppe um Prof. Henning Stahlberg vom Biozentrum der Universität Basel hat nun erstmals die komplette Struktur eines bakteriellen Pendants dieser Art von Kaliumkanälen aufgeklärt und neue Hinweise auf deren Funktionsweise erhalten.

Neues Wirkprinzip dank 3-D-Struktur

Kaliumkanäle sind in der Membran von Zellen verankert. Sie bilden eine Pore mit einem Filter, der ausschliesslich für Kaliumionen durchlässig ist und durch das Signalmolekül cAMP gesteuert wird. Bisher ging man davon aus, dass sich die Pore öffnen und schliessen kann und so den Fluss der Kaliumionen reguliert. Stahlbergs Team fand nun Anhaltspunkte für ein anderes Wirkprinzip. Die Forscher rekonstruierten mithilfe von Kristallisationstechniken und der Elektronenmikroskopie die intakte dreidimensionale Struktur des bakteriellen Kaliumkanals in seiner natürlichen Umgebung in An- und Abwesenheit von cAMP.

Anhand dieser Strukturanalysen konnten sie feststellen, dass die Pore entgegen der landläufigen Meinung immer geöffnet ist. «Wenn das Signalmolekül cAMP an den Kaliumkanal andockt, kommt es zu Umlagerungen und Verschiebungen im Proteingerüst», erläutert Julia Kowal, Erstautorin der Studie. «Wir vermuten, dass cAMP stattdessen den Filter etwas weitet und damit den Durchfluss der Kaliumionen regelt.» Die neuen strukturellen Details ermöglichten den Forschern, die Funktionsweise dieser Kanäle aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten.

Mechanismus relevant für neue Wirkstoffe

Stahlberg möchte nun die Filterregion mit einer extrem hoch auflösenden Kamera genauer untersuchen, um auch die letzten Fragen über den Mechanismus zu klären. Signalgesteuerte Kaliumkanäle werden auch als «Schrittmacher-Kanäle» bezeichnet. Sie steuern den Herzrhythmus sowie die rhythmische Erregbarkeit von Neuronen. Das genaue Verständnis des Wirkmechanismus ist daher die Grundlage für die Entwicklung spezifischer Arzneistoffe zur Behandlung von Epilepsie oder Herzrhythmusstörungen.

Originalbeitrag:
Julia Kowal, Mohamed Chami, Paul Baumgartner, Marcel Arheit, Po-Lin Chiu, Martina Rangl, Simon Scheuring, Gunnar F. Schröder, Crina M. Nimigean, and Henning Stahlberg
Ligand-induced structural changes in the cyclic nucleotide-modulated potassium channel MloK1.
Nature Communications, Published Online 28 January 2014
DOI: 10.1038/ncomms4106

Externer Link: www.unibas.ch

Schneller als Hangrutschungen: Frühwarnsystem mittels GPS-Sensoren

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Pressemitteilung der TU Graz vom 21.01.2014

Projektteam unter Federführung der TU Graz entwickelt neue Möglichkeiten für den Katastrophenschutz

Land der Berge: Potentielle Hangrutschungen sind eine Gefahr für exponierte Infrastruktur wie Siedlungen, Straßen, Schienen oder Stromleitungen und nicht zuletzt für Leib und Leben. Wenn Kameras Hangbewegungen registrieren, ist es meist schon zu spät, komplexere Frühwarnsysteme sind derzeit teuer und damit rar. Die TU Graz, die Landeswarnzentrale Steiermark und weitere Partner haben nun ein ausgeklügeltes System entwickelt und erfolgreich getestet: Ein Netz aus kostengünstigen GPS-Empfängern verzeichnet Bewegungen gefährdeter Hänge und ermöglicht im Ernstfall ein rasches Eingreifen. Die Ergebnisse des Projekts „GeoWSN“ wurden gestern präsentiert.

Starker Niederschlag, Steinschläge, massive Abholzung: Erdrutsche haben verschiedene Ursachen und meist verheerende Folgen. Bisherige Warnsysteme, etwa durch Kameraüberwachung, greifen zu kurz und lassen kaum zeitlichen Spielraum für Evakuierungen und andere vorsorgliche Maßnahmen. „Es gibt bereits ausgeklügelte Frühwarnsysteme, die sich aber mit mehreren hunderttausend Euro pro Hang zu Buche schlagen können. Es ist praktisch unmöglich, damit alle Gefahrenhänge in Österreich permanent zu überwachen“, schildert Manfred Wieser vom Institut für Navigation der TU Graz.

Jede Bewegung registrieren

Unter der Leitung des Instituts für Navigation der TU Graz hat ein Projektkonsortium in den vergangenen zwei Jahren ein neuartiges Monitoringsystem entwickelt und an einem potentiellen Gefahrenhang, der die Phyrnautobahn bedroht, getestet: Relativ kostengünstige GPS-Sensoren wurden als sogenannte Netzknoten an verschiedenen Stellen eines Testhanges am Schoberpass platziert. Die Sensoren liefern permanent Aufschluss über ihre exakte Position und verzeichnen so jede kleinste Bewegung im Hang. Pro Knotenpunkt gibt es eine Kommunikationseinheit, die die Daten kontinuierlich an einen zentralen Netzknoten schickt. Der sammelt die Aufzeichnungen und leitet sie an einen Server an der TU Graz, wo die Daten mit einer eigens entwickelten Software ausgewertet und dargestellt werden.

Neue Dimension im Katastrophenschutz

Die besonderen Herausforderungen im Projekt „GeoWSN“: Das Frühwarnsystem muss kostengünstig und robust sein, wetterunabhängig und verlässlich permanent Daten liefern und obendrein energieautark funktionieren. „Das Gesamtpaket war eine harte Nuss. Wir haben aber gezeigt, dass der Ansatz zielführend ist. Mit dem System können wir den Behörden im Ernstfall die technischen Voraussetzungen zur raschen Entscheidungsfindung liefern“, so Wieser. Günter Hohenberger von der Landeswarnzentrale Steiermark führt aus: „Entscheidend für die Warnung vor herannahenden Gefahren wie Erdrutschungen ist die Vorwarnzeit: Je größer der Zeitraum zwischen Bekanntwerden der Gefahr und Eintreten des Ereignisses, desto effektivere Gegenmaßnahmen können wir einleiten, zum Beispiel Evakuierungen. Das im Projekt GeoWSN entwickelte Frühwarnsystem stellt eine neue Dimension im Bereich des Katastrophenschutzes dar“.

Wann und wie warnen?

Im Ernstfall muss nicht nur die Technik funktionieren, auch die Art der Informationsweitergabe und besonders Warnung der betroffenen Bevölkerung sind entscheidend. Ebenfalls mit an Bord des Projekts war daher eine Psychologin, die untersucht hat, wie und wann man am besten informiert, welche Warnstufen sinnvoll sind und wie die Bewohner vorab sensibilisiert und trainiert werden können.

Das Projekt „GeoWSN“ wurde von Jänner 2012 bis Dezember 2013 im Rahmen von KIRAS, dem vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie betriebenen Programm zur Sicherheitsforschung, finanziert und von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG abgewickelt. Das Projektkonsortium besteht aus dem Institut für Navigation und dem Institut für Technische Informatik der TU Graz, der TeleConsult Austria GmbH, Geolith Consult und der Fachabteilung Katastrophenschutz und Landesverteidigung des Landes Steiermark. Als nächsten Schritt will das Konsortium den vielversprechenden Demonstrator zum Prototypen weiterentwickeln.

Externer Link: www.tugraz.at

Was Elektronen zum Zittern bringt

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 20.01.2014

Elektronenbewegungen in Halbleitern erzeugen Strahlung mit Rekordbandbreite

Moderne Hochgeschwindigkeitselektronik basiert auf winzigen Halbleiter-Strukturen, in denen Elektronen mit Hilfe von elektrischen Feldern auf immer höhere Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Bald schon dürften Feldstärken erreicht werden, die zu einer neuen Klasse von Quantenphänomenen führen. Physiker der Universitäten Regensburg, Marburg und Paderborn haben nun nachgewiesen, dass sich Elektronen unter diesen Bedingungen nicht mehr monoton in eine Richtung bewegen, sondern extrem schnelle Oszillationen ausführen, die Licht über einen superbreiten Spektralbereich ausstrahlen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/nphoton.2013.349).

Vor 85 Jahren beschrieb Felix Bloch, einer der Väter der modernen Festkörperphysik, die Bewegungen von Elektronen in einem Festkörper mit quantenmechanischen Wellen. Die Bewegungen sind dabei mit den Bewegungen von Wellen auf dem Wasser vergleichbar: Treffen sie auf ein Hindernis, etwa einen Stein, dann werden sie gestreut und auf der Wasseroberfläche bildet sich ein Muster kleiner Wellen aus. In einem Festkörper führt die enorme Anzahl periodisch angeordneter Atome zu einem hochkomplexen Streumuster der Elektronen und zu einer überraschenden Vorhersage: In einem starken elektrischen Feld sollten sich Elektronen demnach nicht – wie intuitiv erwartet – gleichförmig in eine Richtung bewegen, sondern beginnen zu oszillieren. Dieses merkwürdige Verhalten konnte aber bislang nur in künstlichen Modellsystemen beobachtet werden, weil die Wellennatur der Elektronen durch ihre Wechselwirkung untereinander sowie mit dem Atomgitter eines natürlichen Festkörpers schnell „verwischt“ wird.

Einem Team um Prof. Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg ist es nun in einem bahnbrechenden Experiment gelungen, elektrische Felder in der Größenordnung von 10 Milliarden Volt pro Meter mit einer Präzision von billiardstel Sekunden an Halbleiter anzulegen und die Oszillation der Elektronen zu beobachten, bevor sie verwischt. Die Forscher nutzen dazu eine erst vor kurzem in Betrieb genommene Hochfeld-Terahertzquelle an der Universität Regensburg. Sie kann ultrakurze Lichtblitze im infraroten Spektralbereich mit Rekordintensitäten und präzise kontrollierbarem Feldverlauf erzeugen. Der Trick ist dabei, das schwingende elektrische Feld eines solchen Lichtblitzes als kurzzeitige Vorspannung zu verwenden. Mit einer extrem schnellen Zeitlupenkamera konnten die Wissenschaftler zudem zeigen, dass die oszillierenden Elektronen elektromagnetische Strahlung vom Mikrowellen- bis zum Ultraviolett-Bereich ausstrahlen.

Zur Erklärung dieser Messdaten entwickelten die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Stephan W. Koch und Prof. Dr. Mackillo Kira an der Universität Marburg gemeinsam mit Prof. Dr. Torsten Meier von der Universität Paderborn ein quantenmechanisches Modell, das die komplexen Vorgänge im Halbleiter nachbildet und die experimentellen Daten eindeutig als dynamische Bloch-Oszillationen identifiziert.

Die Ergebnisse vermitteln einen spektakulären Einblick in eine Quantenwelt, die für künftige Generationen von Halbleiterbauelementen entscheidend werden dürfte. Was vielleicht noch wichtiger ist: Sie zeigen, dass sich elektrische Ströme auf Zeitskalen einzelner Lichtschwingungen kontrollieren lassen. Die Elektronik der Zukunft könnte also auch bei optischen Taktraten funktionieren. Nicht zuletzt emittieren Bloch-Oszillationen ultrakurze Lichtblitze im infraroten Spektralbereich in einer Rekordbandbreite. Diese Lichtquelle dürfte demnach ein wertvolles Forschungsinstrument für die Ultrakurzzeitphysik werden. (Alexander Schlaak)

Titel der Originalpublikation:
O. Schubert, M. Hohenleutner, F. Langer, B. Urbanek, C. Lange, U. Huttner, D. Golde, T. Meier, M. Kira, S. W. Koch und R. Huber, „Sub-cycle Control of Terahertz High-Harmonic Generation by Dynamical Bloch Oscillations“, Nature Photonics (2014)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Einblick in die Struktur eines Proteintransporthelfers

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 16.01.2014

Proteine sind die molekularen Baustoffe und Maschinen der Zelle und an praktisch allen Lebensprozessen beteiligt. Um ihre Aufgaben korrekt ausführen zu können, werden viele Proteine nach ihrer Herstellung mit Anhängen wie Zuckerresten versehen. Dieser Prozess ist direkt an den Transport durch eine Membran gekoppelt. Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut (MPI) für Biochemie ist es jetzt mit Hilfe verschiedener strukturbiologischer Methoden gelungen, einen Einblick in die Architektur des verantwortlichen Proteinkomplexes (ER-Translokon) zu gewinnen. Die Ergebnisse des Gemeinschaftsprojekts mit Kollegen des Universitätsklinikums Homburg an der Saar und der Ludwig-Maximilians-Universität München wurden jetzt in Nature Communications veröffentlicht.

Ein Protein herzustellen, ist für die Zelle ein hoch komplexer Prozess und beinhaltet viele einzelne Schritte. Je nachdem für welchen Zweck ein Protein gebraucht wird, gibt es verschiedene Orte der Proteinproduktion: das Zellinnere, auch Zellplasma genannt, oder das Endoplasmatische Retikulum (ER). Das ER ist durch eine Membran von seiner Umgebung, dem Zellplasma, getrennt. Proteine, die am ER hergestellt werden, gelangen noch während der Synthese über diese Membran in das Innere des ERs und werden dabei durch das Anhängen von Zuckerresten verändert. Ohne diese Anhänge können sich Proteine nicht korrekt falten und so auch ihre Aufgaben in der Zelle nicht erfüllen.

Wissenschaftler der Forschungsgruppe „Modellierung von Proteinkomplexen“ konnten jetzt die Architektur des Proteinkomplexes beschreiben, der für den Transport und die Veränderung des neu produzierten Proteins verantwortlich ist: das ER-Translokon. „Es befindet sich in der Membran des ERs, was neben seiner Größe und komplexen Zusammensetzung bisherige strukturelle Untersuchungen erheblich erschwert hat“, beschreibt Friedrich Förster, Gruppenleiter am MPI für Biochemie, die Ausgangssituation. Die Strukturen vieler Untereinheiten sowie ihre Anordnung im Gesamtkomplex des ER-Translokons waren daher bisher unbekannt.

Erst durch die Verwendung der Kryo-Elektronentomographie konnten die Forscher einen ersten Einblick in die Architektur des ER-Translokons erhalten. Die Probe wird „schockgefroren“, sodass ihre natürliche Struktur erhalten bleibt. Dann nehmen die Wissenschaftler aus verschiedenen Blickwinkeln zweidimensionale Bilder des Objekts im Elektronenmikroskop auf, aus denen sie schließlich ein dreidimensionales Bild rekonstruieren. Weitere Untersuchungen machten es möglich, einzelne Untereinheiten in der Struktur zu identifizieren. Darunter ist auch die Untereinheit, die Zuckerreste an das neu produzierte Protein knüpft.

„Basierend auf dieser Methodik wollen wir jetzt versuchen, die Struktur und Lage weiterer Komponenten des ER-Translokons zu bestimmen“, so Förster. Kennen die Forscher die einzelnen Strukturen des ER-Translokons, können sie indirekt auf die genaue Funktionsweise und das Zusammenwirken aller Bestandteile rückschließen.

Originalveröffentlichung:
Pfeffer, S., Dudek, J., Gogala, M., Schorr, S., Linxweiler, J., Lang, S., Becker, T., Beckmann, R., Zimmermann, R., Förster, F.: Structure of the mammalian oligosaccharyl-transferase complex in the native ER protein translocon. Nature Commun, January 10, 2014
Doi: 10.1038/ncomms4072 (2013).

Externer Link: www.uni-saarland.de