Alarm! Wie verletzte Pflanzenzellen ihre Nachbarn warnen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.03.2019

Alle Organismen können verletzt werden. Aber was passiert eigentlich, wenn eine Pflanze verletzt wird? Wie kann sie heilen und Infektionen vermeiden? Über die Mechanismen der Wundreaktion bei Pflanzen berichtet ein internationales Forschungsteam von der Universität Basel und der Universität Gent in der Fachzeitschrift «Science». Die Erkenntnisse über das pflanzliche Immunsystem kann für neue Ansätze im nachhaltigen Pflanzenbau genutzt werden.

Im Fall einer Verletzung reagieren Pflanzen mindestens genauso schnell wie Tiere und Menschen. Sie besitzen ein hochentwickeltes zelluläres Kommunikationssystem, das innerhalb von Sekunden Alarm schlägt. Dabei setzen die Pflanzenzellen ein spezifisches Hormon frei, um Prozesse der Wundheilung und Infektionsabwehr in Gang zu bringen. Als Modellpflanze diente in der vorliegenden Studie die sogenannte Ackerschmalwand, auch bekannt unter dem Namen Arabidopsis thaliana. Die Ergebnisse wurden von der Forschungsgruppe um Prof. Thomas Boller vom Fachbereich Botanik an der Universität Basel sowie Forschenden der Universität Gent, Belgien, erarbeitet.

Calcium-Welle aktiviert Wundhormone

Um die Wundreaktion der Modellpflanze besser zu verstehen, fokussierten die Forschenden einen kurzen Puls eines hochpräzisen Laserstrahls auf einzelne Wurzelzellen. Innerhalb von Sekunden löste diese lokale Verletzung einen starken Anstieg von Calcium-Ionen in den betroffenen Zellen aus. Diese «Calcium-Welle» führte wiederum zur Aktivierung eines proteinspaltenden Enzyms, der sogenannten «Metacaspase 4», welches in der Lage ist, ein Wundhormon aus dem Vorläuferprotein freizusetzen und so die Nachbarzellen zu alarmieren.

Dabei waren die Forschenden besonders überrascht, dass das Alarmsystem der Pflanze so schnell und spezifisch auf Verwundung reagiert. Doktorand Tim Hander aus dem Forschungsteam von Prof. Boller rechnete zunächst mit Viertelstunden, dann mit Minuten und schlussendlich mit Sekunden. Zur Überprüfung der Ergebnisse stellten die Forschenden weiterhin eine experimentelle Mutante der Pflanze her, der die Metacaspase 4 fehlte. Diese war nicht in der Lage, das Wundhormon zu produzieren und den Alarm an die Nachbarzellen weiterzugeben.

Erkenntnisse für nachhaltigen Pflanzenbau nutzen

Die Forschenden weisen darauf hin, dass die gewonnen Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Ansätze im nachhaltigen Pflanzenbau dienen könnten. «Wenn man Alarmreaktionen besser versteht, dann lässt sich dieses Wissen nutzen, um Pflanzen effektiver vor Schädlingen zu schützen – indem man in der Pflanzenzüchtung daraufhin arbeitet, die Freisetzung des Wundhormons und seine Wahrnehmung durch die entsprechenden Rezeptoren zu verstärken», so Prof. Boller.

Herkömmliche Zuchtstrategien von Lebens- oder Futtermitteln priorisieren in der Regel Ertrag und Qualität in Kombination mit intensivem Pestizideinsatz, ohne das pflanzliche Immunsystem zu berücksichtigen. Mit der Identifizierung der Metacaspasen als essentiellen Katalysatoren einer effizienten natürlichen Abwehrreaktion entstehen potenziell neue Möglichkeiten für den Pflanzenbau.

Originalarbeit:
Tim Hander, Álvaro D. Fernández-Fernández, Robert P. Kumpf, Patrick Willems, Hendrik Schatowitz, Debbie Rombaut, An Staes, Jonah Nolf, Robin Pottie, Panfeng Yao, Amanda Gonçalves, Benjamin Pavie, Thomas Boller, Kris Gevaert, Frank Van Breusegem, Sebastian Bartels, Simon Stael
Damage on plants activates Ca2+-dependent metacaspases for release of immunomodulatory peptides
Science (2019), doi: 10.1126/science.aar7486

Externer Link: www.unibas.ch

Ein Transistor für alle Fälle

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Presseinformation der LMU München vom 19.03.2019

Ob Handy, Kühlschrank oder Flugzeug: Transistoren sind überall verbaut. LMU-Physiker haben jetzt einen nanoskopisch kleinen Transistor aus organischem Halbleitermaterial entwickelt, der sowohl bei niedrigem als auch hohem Strom bestens funktioniert.

Transistoren sind Halbleiter-Bauelemente, die in elektrischen Schaltungen Spannungen und Ströme steuern. Im gleichen Maße wie viele elektrische Geräte immer leistungsfähiger und gleichzeitig kleiner werden, gilt dies auch für Transistoren. Bei anorganischen Bauelementen sind Abmessungen unter 100 Nanometer bereits Standard.

Organische Halbleiter können hier noch nicht mithalten, denn ihre Leistung bezüglich des Ladungstransports ist deutlich geringer. Doch ihre Strukturen bieten andere Vorteile. Sie lassen sich großindustriell drucken, die Materialkosten sind niedrig und sie können transparent auf flexible Oberflächen wie Folien aufgebracht werden. Daher arbeiten Thomas Weitz, Professor für Physik an der LMU und Mitglied in der Nanosystems Initiative Munich, und seine Gruppe an der Optimierung der organischen Transistoren. In ihrer aktuellen Publikation in Nature Nanotechnology präsentieren sie Transistoren, die durch ihren ungewöhnlichen Aufbau sehr klein, leistungsstark und anpassungsfähig sind. Über wenige Parameter lässt sich beispielsweise bei der Herstellung steuern, ob der Halbleiter für hohe oder niedrige Stromdichten optimiert sein soll. Das Besondere ist eine untypische Geometrie, die es zudem erlaubt, die nanoskopisch kleinen Transistoren leichter herzustellen.

„Unser Ziel war es, Bauteile zu entwickeln, die zwei Aufgaben kombinieren“, sagt Thomas Weitz „Einerseits die Fähigkeit, bei hohen Strömen als klassische Transistoren zu fungieren, und andererseits bei Niedrigstrom arbeiten zu können.“ Potenzielle Einsatzgebiete sind organische LEDs oder Sensoren, denn hier werden niedrige Spannungen, hohe Ströme oder große Transkonduktanzen benötigt. Besonders interessant könnte die Verwendung in sogenannten memristiven Elementen sein. „Man kann sich einen Memristor als ein Element vorstellen, das sich beim Verarbeiten elektrischer Signale wie ein Netzwerk von Neuronen verhält und seine Eigenschaften abhängig von dem Zustand, in dem es sich befindet, verändert“, erklärt Weitz. „Durch das genaue Anpassen der Geometrie unserer memristiven Elemente können diese für verschiedene Anwendungen wie beispielsweise Lernprozesse in künstlichen Synapsen eingesetzt werden.“

Die Forscher haben ihren Transistor bereits zum Patent angemeldet, damit er für die industrielle Anwendung weiterentwickelt werden kann.

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Atemgift wird zum antibiotischen Stoff: Kasseler Chemiker wandeln Kohlenmonoxid in Nutzstoff um

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Pressemitteilung der Universität Kassel vom 13.03.2019

Chemikerinnen und Chemikern der Uni Kassel ist es gelungen, Kohlenmonoxid in Stoffe umzuwandeln, die als Grundlage für zukünftige Antibiotika dienen können. Das Atemgift könnte so leichter medizinisch nutzbar gemacht werden. Kohlenmonoxid ist ein giftiges Gas, das bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materie entsteht. Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Kohlenmonoxid ist als tödliches Atemgift bekannt. Zugleich ist es aber auch ein wichtiger Baustein für die chemische Industrie. Kohlenmonoxid ist die Grundlage für zahlreiche medizinische und andere Produkte. „Will man es als sogenannten Synthesebaustein nutzen, um Produkte herzustellen, muss man üblicherweise harsche Methoden anwenden“, sagt Prof. Dr. Ulrich Siemeling vom Fachgebiet Metallorganische Chemie der Uni Kassel. „Also hohen Druck und hohe Temperatur.“ Oder man müsse seltene und giftige Schwermetalle nutzen, so der Chemiker. Das Kohlenmonoxid-Molekül (CO) werde von der stärksten bekannten chemischen Bindung zusammengehalten und sei daher reaktionsträge.

Das Forscherteam der Uni Kassel hat herausgefunden, dass Kohlenmonoxid auch unter einfachen Bedingungen nutzbar gemacht werden kann. „Es kommt nur auf den Reaktionspartner an!“, sagt Prof. Siemeling. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten sogenannte „acyclische Diaminocarbene“ für diesen Zweck. Diese Carbene reagierten problemlos mit Kohlenmonoxid und machten es nutzbar. Ganz ohne Schwermetalle.

„Wir haben die Tür für die Suche nach zukünftigen Antibiotika geöffnet.“

Carbene sind Verbindungen des zweiwertigen Kohlenstoffs. Kohlenstoff verfügt über vier Bindungselektronen und ist daher in der Regel vierwertig und vierbindig. Bei Carbenen ist das anders: Hier sind zwei der vier Bindungselektronen ungenutzt. Daher sind Carbene besonders reaktiv und häufig nicht in Substanz isolierbar. Unter den Carbenen befand sich auch ein von den Forschern eigens entwickelter neuer Vertreter mit besonders vorteilhaften Eigenschaften: hoch reaktiv gegenüber CO, zugleich aber besonders wärmebeständig und somit bequem handhabbar.

„Die Produkte der Reaktion von Kohlenmonoxid mit den vom Kasseler Forscherteam verwendeten Carbenen gehören einer Substanzklasse an, aus der sich viele wichtige Antibiotika rekrutieren“, so Siemeling. Die synthetisierten Stoffe zeigten eine antibakterielle Wirkung, ähnlich wie Antibiotika. „Die von uns bisher synthetisierten Stoffe sind für medizinische Zwecke leider nicht geeignet. Aber mit unserer neuen Synthesemethode haben wir für diejenigen eine Tür geöffnet, die sich der Suche nach zukünftigen Antibiotika widmen.“ Gegen viele Antibiotika gebe es heute bereits Resistenzen. Ihre Wirkung werde schwächer. „Unsere Forschung könnte neue Antibiotika ermöglichen, die wirkungsvoller sind als etablierte, die angesichts zunehmender Resistenzen eine stumpfe Waffe zu werden drohen“, sagt der Kasseler Chemiker. „In einem Rutsch vom tödlichen Atemgift zum Antibiotikum – so könnte man die Studie also plakativ zusammenfassen.“

Das Projekt wurde gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Bochum und Frankfurt durchgeführt und mit 528.000 Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Veröffentlichung:
in „Chemistry – A European Journal“

Externer Link: www.uni-kassel.de

Für neue Diagnoseverfahren: Physiker erzielen Messrekord für extrem schwache magnetische Signale

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.03.2019

Herzsignale oder Hirnströme berührungsfrei messen, Erze oder archäologische Funde tief in der Erde entdecken: Physiker der Universität des Saarlandes stellen mit Magnetfeldsensoren einen Empfindlichkeits-Rekord auf, der neue Messverfahren ermöglicht. In normaler Umgebung – ohne Vakuum, tiefe Temperaturen oder Abschirmung – spüren Professor Uwe Hartmann und sein Team sehr schwache magnetische Signale auf, und das trotz Störquellen auch über größere Distanzen: Es genügt eine Signalstärke von weit weniger als einem Milliardstel Tesla, etwa eine Million Mal kleiner als das Erdmagnetfeld. Biomagnetische Signale des menschlichen Körpers lassen sich so ebenso messen wie geophysikalische Phänomene.

Die Physiker suchen auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April Partner, um die Messmethoden weiterzuentwickeln: in Halle 2 am Forschungsstand B46.

Wollen Ärzte heute das Herz ihres Patienten darauf untersuchen, ob es stolpert oder flimmert, müssen sie erst Elektroden auf Brust, Handgelenke und Fußknöchel kleben. Gleiches gilt für die elektrische Aktivität des Gehirns: Erst muss verkabelt werden, dann lassen sich die Hirnströme messen. Wenn es schnell gehen muss, verlieren Helfer dadurch wertvolle Zeit. Einfacher wären Geräte, die ähnlich wie ein Metallsucher über Körper oder Kopf gehalten werden und trotzdem zuverlässige Werte liefern. Bislang scheitern derart berührungsfreie medizinische Diagnoseverfahren daran, dass sie wenig alltagsstauglich sind. Hinreichend empfindliche Messsensoren, die biomagnetische Körpersignale messen können, brauchen heute extreme Bedingungen: Sie müssen gegen Störungen von außen stark abgeschirmt, bei unpraktischen Temperaturen von unter 200 Minus-Graden gekühlt oder im Vakuum betrieben werden.

Jetzt haben der Experimentalphysiker Professor Uwe Hartmann und sein Forscherteam an der Universität des Saarlandes ihre Magnetfeldsensoren so weiterentwickelt, dass sie ohne solche Weltraumbedingungen in normaler Umgebung sehr schwache Signale erfassen können – wie etwa die vielfältigen Körperfunktionen, die sich durch Magnetfelder äußern. „Verglichen mit bekannten Maßstäben entspricht unsere Messung dem Auffinden eines Sandkorns im Gebirge: Wir können über verhältnismäßig große Distanzen Magnetfelder messen, die annähernd eine Million Mal kleiner sind als das Erdmagnetfeld – etwa einige Picotesla, 10 hoch -12“, erklärt Uwe Hartmann. Bislang erfassen Sensoren unter normalen Bedingungen nur Magnetfelder, die etwa tausend Mal kleiner sind als das Erdmagnetfeld.

Die eigentliche Herausforderung lag weniger im kaum messbar kleinen Signal selbst. „Das Hauptproblem ist, diese Signale in einer gewöhnlichen Umgebung aus einer Vielzahl von Störsignalen sauber herauszulesen“, sagt Hartmann. Denn alles Mögliche verrauscht, überlagert und verfälscht das Messsignal, das eigentlich interessiert – angefangen vom Erdmagnetfeld über Elektrogeräte, vorbeifahrende Autos bis hin zu Signalen anderer Organe oder gar Sonnenstürme. Hartmanns Arbeitsgruppe forscht seit Jahren an den Magnetfeldsensoren und entwickelt diese für verschiedenste Anwendungen beständig weiter. „Wir haben unsere Sensoren in den vergangenen Jahren kontinuierlich sensibler und selektiver gemacht. Durch diese fortwährende Weiterentwicklung der Sensoren, ihres Materials und vor allem auch der Software zur Datenverarbeitung wurde die jetzt erreichte Empfindlichkeit möglich“, erläutert er.

Hartmann und sein Team haben in verschiedenen Projekten daran gearbeitet, aus Messsignalen Störungen herauszufiltern. So haben die Forscher ein Sensor-Kabel entwickelt, in dem Magnetfeldsensoren miteinander verbunden und vernetzt sind. Verschiedene solcher Systeme sind bereits als Verkehrsleitsysteme zum Beispiel an Flughäfen testweise im Einsatz. Um das Sensorsystem auch zur Überwachung an Zaunanlagen einsetzen zu können, haben die Forscher in vielen Versuchsreihen etliche Arten von Änderungen des Magnetfeldes simuliert und den jeweiligen Ursachen zugeordnet – etwa von Erschütterungen an Zäunen. Je nach Art der Störung unterscheiden sich die Signalmuster, die die Sensoren messen. Die Physiker haben die Datenmuster mathematisch modelliert, in Algorithmen übersetzt und die Auswerteeinheit immer detailreicher programmiert und verfeinert. „Mit diesen Informationen haben wir das System angelernt und immer weiter ausgebaut. Es erkennt typische Muster, ordnet sie selbstständig Störungen zu. Wir können Messwerte und Signalmuster inzwischen sehr genau ihren Ursachen zuordnen“, erläutert Hartmann.

Noch handelt es sich um ein Ergebnis der Grundlagenforschung. Die möglichen Anwendungsfelder der hoch empfindlichen Magnetfeldsensoren sind jedoch vielfältig: Sie können in der Medizin Einsatz finden und in Kardiologie oder Neurologie Ergänzung zu EKG (Elektrokardiographie) oder EEG (Elektroenzephalographie) sein. Auch können sie bei geophysikalischen Untersuchungen helfen, Erdöl, Erze oder archäologische Funde aufzuspüren.

Externer Link: www.uni-saarland.de