Warum Teige an Oberflächen kleben

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 14.12.2017

Struktur der Arbeitsflächen und -materialien sowie Kontaktdauer wirken sich auf Teighaftung aus – Ergebnisse sollen Lebensmittelsicherheit garantieren und Produktivität in Bäckereien steigern

Weihnachtszeit ist Plätzchenzeit. Für viele hat das große Backen bereits begonnen. Wer gern nascht, freut sich über die Teigreste, die an Knethaken oder Schüssel kleben bleiben. Doch auch in Bäckereien oder Industriebetrieben bleiben nicht unerhebliche Mengen des Teiges an Transportbändern und Gärtüchern haften. Das führt im schlimmsten Fall zu Hygieneproblemen und Produktionsausfällen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der TU München haben untersucht, wie sich Kontaktzeit und Oberflächenstrukturen der unterschiedlichen Arbeitsmaterialien auf die Teighaftung auswirken.

Teige haften gerne fest an allen Oberflächen, mit denen sie beim Verarbeiten in Berührung kommen. Die Folge: Es werden zusätzliche Hilfsstoffe wie teure Spezialmehle, die nicht stauben, benötigt, die Reinigung wird aufwendiger, die Maschinen stehen währenddessen still und es kommt zu Produktionsausfällen. Speziell auf Gärtüchern, wie man sie für manche Brotteige oder Hefeteig braucht, schimmeln Teigreste außerdem sehr schnell, da sie im Gärschrank bei Temperaturen um die 30 Grad und hoher Luftfeuchtigkeit liegen. Die Tücher müssen daher immer wieder ersetzt werden.

„Wir haben deshalb untersucht, welchen Einfluss die Kontaktdauer von Teig und Werkstoff hat und wie sich die Oberflächenstruktur der Werkstoffe auf die Teighaftung auswirkt“, sagt Sebastian Moeller vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik des KIT. Mit einem Laser-Raster-Mikroskop nahmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Struktur der Oberflächen von Gärtüchern, Transportbändern und Backblechen aus Edelstahl auf. Die Bilder werteten sie dann nach Oberflächenparametern wie Rauheitswerte, Höhenverteilung des Materials und Aufteilung des Oberflächenprofils in Spitzen-, Kern- und Talbereiche aus.

„Mit Versuchen in einer Zentrifuge haben wir außerdem die Haftkräfte von Teig ermittelt. Dabei haben wir Teigproben von den unterschiedlichen Arbeitsmaterialien geschleudert. Wir fanden heraus, dass auch die Dauer des Kontakts zwischen Teig und Oberfläche dafür entscheidend ist, wie stark er klebt“, so Moeller. Nach kurzer Kontaktzeit blieb am Edelstahl und an Transportbändern deutlich mehr Teig kleben als an Gärtüchern. Bei den Transportbändern beeinflussten Waffel- oder Rippenstruktur die Klebrigkeit des Teiges. Sie verringerten die Kontaktfläche zum Teig, sodass sich geringere Adhäsionskräfte entwickelten. Bei den Gärtüchern konnte man erst nach längerer Kontaktdauer einen Unterschied zwischen den Materialien beobachten. „Vor allem an Tüchern aus Polyester blieb deutlich mehr Teig kleben als an Baumwollgärtüchern. Eine Zunahme der Teighaftung war mit längerer Kontaktdauer aber bei allen Materialien zu erkennen“, sagt Sebastian Moeller. Zu gleichen Ergebnissen kamen die Partner von der TU München mit einer Kippapparatur im Labormaßstab.

Im nächsten Schritt wurden Gärtücher über zwölf Wochen in einer Bäckerei getestet. „Nach sechs Wochen bildeten sich auf allen Gärtüchern Mehl- und Teigrückstände. Da diese dann sehr schnell verderben können, sollte man die Tücher wechseln“, empfiehlt Moeller. Durch Reinigungsvorgänge wie das Abbürsten und Waschen rauten sich außerdem die Polyestergärtücher auf, der Teig klebt damit weniger stark fest. Die Baumwolltücher hingegen bekamen eine flachere Struktur, was die Teighaftung verstärkte. „Je rauer und luftdurchlässiger ein Material ist, desto geringer das Haftverhalten. Besonders stark klebt der Teig bei den Backblechen, die ja keine Luft durchlassen“, so Sebastian Moeller.

Die Ergebnisse der Studie sollen in Zukunft dabei helfen, Materialien und Werkstoffe auszuwählen oder zu entwickeln, an denen Teige weniger stark haften und auf denen sich weniger Keime bilden. So wollen die Wissenschaftler Hygiene und Produktivität von Bäckereien steigern, die Rohstoff-, Entsorgungs- und Reinigungskosten senken und die Arbeitssicherheit erhöhen. (swi)

Externer Link: www.kit.edu

3D-gedruckte Minifabriken

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 01.12.2017

ETH-Forscher entwickelten für den 3D-Druck eine biokompatible Tinte mit lebenden Bakterien. Damit lassen sich biologische Materialien herstellen, die Giftstoffe abbauen oder hochreine Zellulose für biomedizinische Anwendungen produzieren können.

Es gibt bald nichts mehr, das nicht im 3D-Druck hergestellt werden kann. Bei den Materialien, die dafür verwendet werden, handelte es sich aber bisher um «tote Materie» wie Kunststoffe oder Metalle.

Nun stellt eine Gruppe von ETH-Forschern um Professor André Studart, Leiter des Labors für Komplexe Materialien, eine neue 3D-Druckplattform vor, die mit lebender Materie arbeitet. Die Forscher entwickelten eine Tinte, die Bakterien enthält. Damit lassen sich biochemische Minifabriken mit unterschiedlichen Funktionalitäten drucken, je nachdem, welche Bakterienarten die Forscher in der Tinte einsetzen.

Eigenschaften von Bakterien nutzen

In ihrer Arbeit verwendeten Studarts Mitarbeiter Patrick Rühs und Manuel Schaffner die Bakterienarten Pseudomonas putida und Acetobacter xylinum. Die erste Art kann das giftige Phenol, das die chemische Industrie im grossen Stil produziert, abbauen. Die zweite Art sondert hochreine Nano-Zellulose ab. Die bakterielle Zellulose wirkt schmerzlindernd, hält feucht und ist stabil. Sie könnte daher bei Brandverletzungen verwendet werden.

Die neue Druckplattform der ETH-Forscher bietet zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten. So können die Wissenschaftler in einem Durchlauf bis zu vier verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Bakterienarten in unterschiedlichen Konzentrationen verwenden, um damit Objekte mit mehreren Funktionen herzustellen.

Die Tinte besteht aus einem biokompatiblen und strukturgebenden Hydrogel. Dieses beinhaltet Hyaluronsäure, langkettige Zuckermoleküle sowie Kieselsäure. Das Nährmedium der Bakterien wird der Tinte beigemischt, sodass die Bakterien alles haben, um zu leben. In dieses Hydrogel können die Forscher die Bakterien mit den gewünschten Eigenschaften beimengen und schliesslich beliebige dreidimensionale Strukturen drucken.

Viskos wie Zahnpasta

Bei der Entwicklung des bakterienhaltigen Hydrogels waren dessen Fliesseigenschaften eine besondere Herausforderung. So muss die Tinte ausreichend fliessen können, damit sie sich durch die Druckdüse pressen lässt. Je fester die Tinte, desto schlechter können sich die Bakterien in ihr bewegen und desto weniger produktiv sind sie. Gleichzeitig müssen die ausgedruckten Formen stabil genug sein, damit sie das Gewicht von weiteren Lagen tragen. «Die Tinte muss so viskos wie Zahnpasta sein und die Konsistenz von Nivea-Handcrème haben», fasst Schaffner das Erfolgsrezept zusammen.

Ihr neues Druckmaterial nannten die Wissenschaftler «Flink», was für «functional living ink» steht. Soeben haben sie diese Technik in der Fachzeitschrift Science Advances vorgestellt.

Enormes Potenzial

Die Lebensdauer der gedruckten Minifabriken haben die Materialwissenschaftler noch nicht untersucht. «Da Bakterien kaum Ansprüche haben, gehen wir davon aus, dass sie sehr lange in gedruckten Strukturen überleben können», schätzt Rühs.

Die Forschung steht erst am Anfang. «Das Potenzial, mit bakterienhaltigen Hydrogels zu drucken, ist enorm, weil die Vielfalt an nützlichen Bakterien sehr gross ist», sagt Rühs. Dass bislang kaum jemand bei additiven Verfahren mit Bakterien gearbeitet hat, führt er auf den schlechten Ruf der Mikroorganismen zurück. «Die meisten Menschen bringen Bakterien nur mit Krankheiten in Verbindung. Dabei könnten wir ohne sie gar nicht leben», betont er. Die Forscher halten ihre neue Tinte zudem für komplett unbedenklich. Die verwendeten Bakterien sind allesamt harmlos und nützlich.

Giftstoffsensor und Ölpestfilter

Neben medizinischen und biotechnologischen Anwendungen können sich die Forscher viele weitere nützliche Anwendungen vorstellen. So lassen sich mit solchen Objekten beispielsweise Abbauprozesse oder die Entstehung von Biofilmen untersuchen. Eine praktische Anwendung wäre ein 3D-gedruckter Sensor mit Bakterien, welcher Giftstoffe im Trinkwasser anzeigen würde. Denkbar sind auch bakterienhaltige Filter, die bei Ölkatastrophen zum Einsatz kommen. Herausforderungen sind derzeit die lange Druckzeit und die schwierige Skalierbarkeit. Um Zellulose für biomedizinische Anwendungen zu erzeugen, braucht Acetobacter derzeit mehrere Tage. Die Wissenschaftler sind jedoch überzeugt, dass sie die Prozesse noch optimieren und beschleunigen können.

Die Entwicklung spezieller Materialien für den 3D-Druck ist eine Spezialität der Forschungsgruppe von ETH-Professor André Studart. So haben er und sein Team auch eine druckfähige hochporöse Tinte aus Keramik entwickelt, mit der sich sehr leichte knochenartige Strukturen für die Energiegewinnung drucken lassen.

Publikation:
Schaffner M, Ruehs PA, Coulter F, Kilcher S, Studart AR. 3D Printing of Bacteria into Functional Complex Materials. Science Advances, published online 1st Dec 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao6804

Externer Link: www.ethz.ch

Reaktivierung ohne Risiko

Presseinformation der LMU München vom 01.12.2017

Chemische Modifikationen der DNA steuern, wann welches Gen aktiv ist. LMU-Wissenschaftler haben einen neuen Weg entschlüsselt, wie die Zelle stillgelegte Gene wieder aktivieren kann, ohne die DNA zu beschädigen.

Jede Zelle enthält alle in den Genen festgelegten Erbinformationen. Allerdings werden nur die Informationen abgelesen und umgesetzt, die von der Zelle benötigt werden – auf diese Weise können unterschiedliche Zelltypen mit spezifischen Funktionen entstehen. Welche Gene aktiv sind und welche abgeschaltet werden, wird auf der Ebene der DNA durch kleine chemische Modifikationen reguliert. Damit die Zelle die Genaktivität regulieren kann, müssen die Aktivierung oder Inaktivierung von Genen reversibel sein, damit sie die Modifikationen also auch wieder rückgängigmachen kann. LMU-Wissenschaftler um Professor Thomas Carell haben nun einen neuen Mechanismus zur Reaktivierung stillgelegter Gene identifiziert, der im Gegensatz zum bisher bekannten Weg ohne potenziell schädliche Zwischenstufen auskommt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Chemical Biology.

Für die Regulation der Genaktivität spielt die Methylierung bestimmter DNA-Bausteine – der Cytidine – eine wichtige Rolle. Durch die Übertragung einer Methylgruppe auf unmethyliertes Cytidin entsteht das sogenannte 5-Methylcytidin, von dem bekannt ist, dass es die Genaktivität hemmt. „Eine zentrale Frage ist nun, wie die Zelle den Ausgangszustand wieder herstellen kann, wenn sie also die Inaktivierung aufheben will“, sagt Carell. Um das Gen zu reaktivieren, muss die Methylgruppe entfernt werden. Bisher ging man davon aus, dass das methylierte Cytidin dazu komplett aus der DNA herausgeschnitten und durch eine unmethylierte Form ersetzt wird. Während dieses Prozesses können allerdings Brüche in einem oder sogar beiden DNA-Strängen entstehen, die unrepariert schwerwiegende Folgen für die Zelle haben.

„Wir konnten in embryonalen Stammzellen der Maus nun zeigen, dass es auch einen anderen Weg gibt, der ohne ein Zerschneiden der DNA auskommt“, sagt Carell. Bei diesem Weg wird die Methylgruppe oxidert, wodurch das sogenannte 5-Formylcytidin entsteht, das Carells Team bereits 2011 in Stammzellen der Maus entdeckt hat. Im 5-Formylcytidin fällt die oxidierte Methylgruppe dann ab, übrig bleibt wieder unmethyliertes Cytidin. „Dieser neue Mechanismus macht es möglich, die Genaktivität zu regulieren, ohne dass die DNA selbst beschädigt wird“, erklärt Carell. Nach Ansicht der Wissenschaftler ist dieser Prozess auch medizinisch interessant, denn mit seiner Hilfe könnten möglicherweise Zellen gezielt umprogrammiert und so neue Chancen in der regenerativen Medizin eröffnet werden.

Publikation:
Nature Chemical Biology 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Akrobatik-Duo in der Zelle

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.12.2017

Wie ein Akrobaten-Duo verleihen sich auch einige Proteine gegenseitig Stabilität. Forscher vom Biozentrum der Universität Basel haben herausgefunden, dass das Protein «Trigger Faktor» seinen Partner anhand von instabilen, beweglichen Abschnitten erkennt und zusammen mit ihm ein stabiles Protein-Duo bildet. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe von «Nature Communications» erschienen.

Falsch gefaltete Proteine sind funktionsuntüchtig und schädigen die Zelle. Um dies zu verhindern, gibt es ein ganzes Arsenal von Proteinen – Chaperone genannt –, die als Faltungshelfer und Qualitätskontrolleuren agieren. Im Bakterium Escherichia coli schützt das Chaperon «Trigger Faktor» (TF) neu hergestellte Proteine vor einer Fehlfaltung. Die Forschungsgruppe von Prof. Sebastian Hiller vom Biozentrum der Universität Basel konnte nun erstmals zeigen, dass sich TFs auch gegenseitig erkennen und stabilisieren. So wie der einzelne Akrobat eines Duos, stehen TF-Chaperone allein auf ziemlich wackeligen Füssen. Erst als Paar finden sie eine stabile Position.

Chaperone als Faltungshelfer für andere Proteine

In einer einzigen Bakterienzelle produzieren mehr als 10’000 Ribosomen Proteine am laufenden Band. Diese Fabriken verbinden die einzelnen Bestandteile eines Proteins zu einer langen Kette und schleusen diese durch einen engen Gang nach aussen. Das Chaperon TF, welches am Ausgang des Ribosoms hängt, nimmt die frisch produzierte Peptidkette in Empfang, schirmt sie von der Umgebung ab und hilft ihr dabei, sich korrekt zu falten. Hat das Protein seine richtige räumliche Struktur gefunden, wird es vom Chaperon entlassen und kann sich seinen Aufgaben in der Zelle widmen.

Ob Akrobat oder Chaperon – nur im Duo stabil

In der Zelle sind deutlich mehr TF-Proteine als Ribosomen vorhanden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die abertausenden von Ribosomen vollständig besetzt sind und alle neugebildeten Proteine sofort abgefangen werden. Die überzähligen TF-Proteine sind jedoch keine Einzelgänger, sondern bilden wie zwei Akrobaten ein stabiles Duo mit einem Partner. Diesen finden sie dabei ganz von selbst.

«Bei den ungebundenen TF-Proteinen ist der Bereich, der sonst an das Ribosom bindet, lokal ungünstig gefaltet und daher energetisch instabil», erklärt Hiller. «Auf der Suche nach einer energetisch günstigen, stabilen Struktur, orientiert sich dieser labile Abschnitt permanent um. Die TFs sind in der Lage, solche dynamischen Bereiche eines Proteins aufzuspüren, auch untereinander.» Indem sich zwei instabile TF-Proteine zusammentun und wie Akrobaten an den kritischen Stellen verbinden, bilden sie ein stabiles räumliches Arrangement.

Chaperone erkennen dynamische Proteinabschnitte

«Die neuen Erkenntnisse über die Dynamik und die Bildung von stabilen TF-Duos erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Funktionsweise von Chaperonen. Sie erkennen und binden nicht einzelne feste Protein-Strukturen, sondern ein dynamisches Ensemble von unterschiedlichen räumlichen Anordnungen», sagt Hiller. «Es zeichnet sich langsam ab, dass diese Funktionsweise ein allgemein gültiges Muster bei Chaperonen ist.» Diese Wirkungsweise der Faltungshelfer aufzuklären und auf atomarer Ebene zu verstehen, ist weltweit ein grosses Anliegen der Forschergemeinschaft. Denn Probleme bei der Faltung von Proteinen stehen auch in Verbindung mit verschiedenen Erkrankungen wie zum Beispiel der Stoffwechselkrankheit Zystische Fibrose, Krebs oder Alzheimer.

Originalbeitrag:
Leonor Morgado, Björn M. Burmann, Timothy Sharpe, Adam Mazur, Sebastian Hiller
The dynamic dimer structure of the chaperone Trigger Factor
Nature Communications (2017), doi: 10.1038/s41467-017-02196-7

Externer Link: www.unibas.ch

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 24.11.2017

Wie kann man eine Maschine in einer Virtual-Reality-Anwendung ganz ohne Tastatur und Bediengeräte präzise steuern? Für diese Frage fand Dominic Gottwalles in seiner Masterarbeit im Fach Medieninformatik an der Saar-Uni eine überzeugende Lösung. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Centigrade GmbH entwickelte er eine virtuelle Industrieumgebung, in der Probanden eine Maschine virtuell über die eigene Handfläche steuerten. Für seine Masterarbeit erhielt Dominic Gottwalles jetzt den Nachwuchspreis „Digitalisierung im Maschinenbau“ vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA).

In der Industrie sind zunehmend innovative Technologien gefragt, die auf virtuellen Anwendungen beruhen – beispielsweise, um Maschinen zu steuern oder zu warten. Eine zentrale industrielle Anwendung von Virtual Reality hat Dominic Gottwalles als  Medieninformatik-Student bei Informatik-Professor Antonio Krüger an der Universität des Saarlandes untersucht: „Bei der Konfiguration von Maschinen ist die Eingabe numerischer Werte essentiell. In meiner Masterarbeit wollte ich daher untersuchen, welche Möglichkeiten es gibt, Zahlenwerte in einer virtuellen Umgebung einzugeben.“ Daraus resultierte ein Konzept, das die Eingabe alleine mit den Händen des Benutzers ermöglicht. Das sei wichtig, um die Anwender nicht mit zusätzlichen Steuergeräten zu belasten, erklärt der Master-Absolvent, der seine Abschlussarbeit in Kooperation mit der Firma Centigrade GmbH angefertigt hat, die ihren Hauptsitz in Saarbrücken hat.

Mithilfe des Unternehmens setzte Gottwalles das von ihm ersonnene Konzept in einen Prototypen um: Als Test-Szenario entwarf er eine virtuelle Industriehalle mit Produktionsband, das aus mehreren Stationen bestand. An jeder Station mussten Probanden die Produktion durch die Eingabe von Zahlenwerten steuern. Dabei konnten sie über eine Brille eine virtuelle Repräsentation ihrer Hand mit abgebildetem Ziffernblock sehen und die entsprechenden Tasten durch Berührung der Handfläche auslösen. „Auf diese Weise ließen sich unter anderem die Benutzerfreundlichkeit und Leistungsfähigkeit des Prototypen beurteilen“, resümiert Dominic Gottwalles. Die Ergebnisse zeigten, dass es Sinn mache, die Steuerung über die Handfläche für industrielle Anwendungen weiterhin zu erforschen und zu erproben.

Seine Ergebnisse überzeugten nicht nur die VDMA-Jury, sondern auch das Unternehmen Centigrade GmbH. Am Standort München der Firma arbeitet Dominic Gottwalles inzwischen als Softwareentwickler bei der Entwicklung moderner Benutzeroberflächen in zahlreichen Kundenprojekten mit.

Der VDMA-Fachverband Software und Digitalisierung hatte den Preis erstmals ausgeschrieben, um „herausragende Abschlussarbeiten“ auszuzeichnen und die digitale Transformation im Maschinenbau zu fördern. Von Mai bis September konnten Professoren Studenten aus den Fachbereichen Informatik und Ingenieurswesen vorschlagen. Insgesamt 26 Absolventen von 21 deutschen Hochschulstandorten wurden auf diese Weise nominiert. In der Kategorie „Masterarbeit“ erhielt Dominic Gottwalles den ersten Preis, Lars Kistner von der Universität Kassel wurde für seine Bachelorarbeit prämiert.

Externer Link: www.uni-saarland.de