Physiker untersuchen, wie der Motor schwimmender Algen funktioniert

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 15.12.2016

Veröffentlichung in Physical Review Letters

Wie sich bewegliche Algen und andere „Mikroschwimmer“ in Flüssigkeiten fortbewegen, haben Experimentalphysiker der Universität des Saarlandes gemeinsam mit Dresdner Kollegen untersucht: Sie setzten Grünalgen der Gattung Chlamydomonas einer Gegenströmung aus und erfassten die Bewegungen ihrer Geißeln mittels eines hochauflösenden Tracking-Verfahrens. Hieraus wurde ein Rechenmodell abgeleitet, das exakt vorhersagt, wie sich der „Motor“ der Winzlinge unter Belastung verhält. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen zu verstehen, wie sich künstliche Mikroroboter beispielsweise im menschlichen Organismus künftig einmal fortbewegen könnten. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Grünalgen der Gattung Chlamydomonas bewegen sich mittels zweier beweglicher Geißeln, auch Flagellen genannt, aktiv fort. „Jede Geißel besitzt in ihrem Inneren Zehntausende molekularer Motoren – jeweils einen Millionstel Zentimeter groß. Sie sitzen wie Perlen auf einer Schnur auf den einzelnen Protein-Strängen, aus denen die Geißel aufgebaut ist“, erläutert der Saarbrücker Experimentalphysiker Christian Ruloff, Doktorand bei Professor Christian Wagner. Dieses Kollektiv molekularer Motoren verschiebt benachbarte Proteinstränge und biegt damit die ganze Geißel hin und her.

„Geißeln sind ein ‚Bestseller‘ der Natur: Auch Spermien und Pantoffeltierchen benutzen schlagende Geißeln zur Fortbewegung. Sie schlagen außerdem zu Tausenden im Gleich-Takt auf der Innenseite unserer Atemwege und den mit Hirnwasser gefüllten Hohlräumen im Hirn, um Flüssigkeit zu pumpen“, sagt Benjamin M. Friedrich vom Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden, der gemeinsam mit Gary S. Klindt vom Dresdner Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) am Kooperationsprojekt mit den Saarbrücker Forschern beteiligt ist. Grünalgen mit ihren zwei Geißeln seien ein perfektes Modellsystem, um grundlegende Fragen zu verstehen: Wie arbeiten die molekularen Motoren in der Geißel zusammen? Wie reagiert der Motor unter Last? Und wie einigen sich mehrere Geißeln auf einen gemeinsamen Taktschlag, wenn es keinen Dirigenten gibt?

Um herauszufinden, wie die Motoren der Grünalge genau funktionieren, testeten die Physiker aus Saarbrücken und Dresden den Algenmotor unter Belastung. „Zu diesem Zweck haben wir eine Art Minilabor gebaut, in dem die Alge mithilfe einer Mikropipette in einem winzigen Strömungskanal festgehalten wird“, sagt Christian Ruloff. „Setzen wir die Alge einer Gegenströmung aus und lassen sie sozusagen flussaufwärts schwimmen, so erhöht sich ihre Schlagfrequenz so lange, bis die Last für die Motoren zu hoch ist und die Schlagbewegung aufhört“, fasst Christian Wagner die wichtigsten Beobachtungen der Experimente zusammen. Wird die Gegenströmung wieder reduziert, fängt die Zelle erneut an zu schwimmen. Diese Änderung des Geißelschlags unter Last kann man mit einem Auto vergleichen, das am Hang langsamer wird und bei zu starker Steigung schließlich nicht mehr den Berg hochkommt.

Um die Bewegung der Geißeln exakt zu erfassen, führten Christian Ruloff und Gary S. Klindt ein hochauflösendes Tracking-Verfahren durch: Dabei wurden hunderttausende Fotografien der nur zwei Zehntel Mikrometer dünnen Flagellen aufgenommen, so dass ihre Form in jeder Phase der Bewegung nachvollzogen werden konnte. Hieraus kalibrierten die Wissenschaftler aus Dresden ein Rechenmodell, mit dem sich exakt vorhersagen lässt, wie sich der Motor als Funktion der angelegten Gegenströmung verhält. „Aus dieser Information konnten wir beispielsweise bestimmen, dass die Effizienz der Algenmotoren nur 20 Prozent beträgt. Folglich werden 80 Prozent der durch Photosynthese gewonnenen chemischen Energie nicht zur Fortbewegung genutzt, sondern gehen als Wärme verloren“, erklärt Gary S. Klindt. Im Vergleich dazu nutzt der Otto-Motor im Auto zwar 40 Prozent des Treibstoffs zur Fortbewegung, allerdings arbeitet er bei 1000 Grad Celsius, während bei der Alge die Umwandlung von chemischer Energie in Arbeit bei Raumtemperatur stattfindet. „Dieses Modell kann man auf andere sich bewegende Mikroorganismen anwenden. In die Zukunft gedacht, kann es auch als Modell für die Bewegung von Mikrorobotern dienen, die beispielweise im menschlichen Organismus eingesetzt werden könnten“, sagt Professor Christian Wagner.

Veröffentlichung:
Studie „Load response of the flagellar beat“, 14.12.2016, Physical Review Letters

Externer Link: www.uni-saarland.de

Virtual Reality als Live-Übertragung

Presseaussendung der TU Wien vom 05.12.2016

Der nächste Schritt für das Erleben virtueller Realität (VR): Die TU Wien ermöglicht Echtzeit-Streaming und 3D Erkundung von realen Umgebungen. So werden etwa live-Wohnungsbesichtigungen mit 3D-Brille möglich, ohne vor Ort sein zu müssen.

Wenn man sich mit einer 3D-Brille durch virtuelle Welten bewegt, ist die Umgebung normalerweise künstlich erstellt und von Beginn an am Computer abgespeichert. Nun geht es auch anders: Die Virtual Reality Forschungsgruppe der TU Wien hat eine Methode entwickelt, reale Umgebungen aufzuzeichnen, live zu streamen und daraus in Echtzeit eine 3D-Welt zu erstellen, durch die sich eine andere Person frei bewegen kann. Von der virtuellen Wohnungsbesichtigung über die Zusammenarbeit an verteilten Inspektionsaufgaben bis hin zum Voraberkunden von Einsatzorten bei Katastrophen werden damit ganz neue VR-Anwendungen möglich.

Besichtigung in Echtzeit

Was macht man, wenn man übersiedeln möchte und in einer fremden Stadt ein WG-Zimmer sucht? Natürlich kann man sich ein paar hübsche Fotos von der Wohnung schicken lassen – doch wie aktuell sie sind und wie viel sie mit der Wirklichkeit zu tun haben, weiß man nicht. Viel besser wäre es, die Wohnung in Echtzeit zu besichtigen, sich in 3D durch die Räume zu bewegen und zu sehen, wie es dort genau jetzt in diesem Augenblick aussieht. „Wir ermöglichen nun erstmals eine Echtzeit-Erkundung von realen Räumen über Virtual Reality“, sagt Annette Mossel vom Institut für Softwaretechnik und Interaktive Systeme, die mit ihrem VR-Konzept kürzlich bei der international wichtigsten Virtual-Reality-Konferenz ISMAR in Mexiko den Best Poster Award gewann. Im Rahmen seiner Diplomarbeit hat ebenfalls Manuel Kröter am Projekt mitgearbeitet.

Daten erzeugen beim virtuellen Spaziergang zu zweit

Die virtuelle Welt wird in Zusammenarbeit von mindestens zwei Personen erzeugt: die erste spaziert mit einer Tiefenkamera durch die Räume. Aus den Aufnahmen wird sofort eine dichte dreidimensionale Punktwolke erstellt und eine 3D-Karte der Wohnung berechnet. Die andere Person, die sich an einem ganz anderen Ort befindet, kann sich gleichzeitig dieselbe Wohnung ansehen. Aus der live über das Internet gestreamten 3D-Punktwolke, angereichert mit Farbinformation, wird ein dreidimensionales Gitternetzmodell erstellt, in das man mit Hilfe von VR immersiv eintauchen kann.

„Dass die virtuelle 3D-Welt, die die zweite Person erkunden kann, von einer anderen Person an einem ganz anderen Ort live erzeugt werden, ist neu“, erklärt Annette Mossel. „Erst dadurch wird eine verteilte Kollaboration der Personen und damit eine gemeinsame Erkundung von entfernten Räumlichkeiten möglich.“ Die zweite Person kann ganz in die virtuelle 3D-Welt eintauchen und sich frei durch die Wohnung bewegen. Dadurch erhält sie eine viel bessere Vorstellung des Raums, als man mit einem Foto oder mit einem 3D-Modell am Computer haben könnte.

„Wir haben unser VR-Konzept mit zahlreichen Versuchspersonen getestet und nach dem virtuellen Rundgang über die Wohnung befragt“, sagt Annette Mossel. Dabei zeigte sich, dass die Testpersonen nach der virtuellen Besichtigung ein sehr gutes Raumverständnis hatten. Sie konnten die Entfernungen in der Wohnung danach gut wiedergeben und sehr schnell ihren Weg durch das virtuelle Modell zu einem vorgegeben Zielpunkt finden.

Interessant könnte die Technik auch zur Unterstützung von Einsatzkräften am Katastrophenort sein. Anstatt eines Menschen könnte auch ein Roboter die Umgebung digital aufnehmen und den Einsatzort erkunden. So könnten Rettungskräfte ganz gefahrlos eine virtuelle Nachbildung des Einsatzortes besichtigen.

Auch zur Ausbildung von Einsatzkräften könnte diese Technologie herangezogen werden. So könnte man etwa Feuerwehrleute über 3D-Brillen mit einem realistischen Katastrophenszenario konfrontieren. Auch in diesem Fall könnte die Umgebung – je nach gewünschtem Übungsverlauf – in Echtzeit erstellt und live in die virtuelle Welt der Einsatzkräfte eingespielt werden. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Ribosomen-Recycling als Angriffsziel

Presseinformation der LMU München vom 05.12.2016

LMU-Wissenschaftler haben einen Reparaturmechanismus für bakterielle Ribosomen aufgeklärt, der ein wichtiger Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Antibiotika sein könnte.

Multiresistente Bakterien, gegen die herkömmliche Antibiotika keine Wirkung mehr zeigen, sind in der Medizin ein großes Problem. Die Entwicklung neuer Medikamente ist deshalb dringend erforderlich. „Viele gängige Antibiotika hemmen die Proteinsynthese in den bakteriellen Ribosomen“, sagt der LMU-Biochemiker Daniel Wilson. „Derzeit wird nach Wirkstoffen gesucht, die sich gegen andere lebenswichtige Prozesse der Bakterien richten“. Zu diesen Prozessen gehört das sogenannte Ribosomen-Recycling, dessen Mechanismen Wilson mit seinem Team nun untersucht hat. Die Ergebnisse liefern vielversprechende Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Antibiotika. Über ihre Studie berichten die Forscher im Fachmagazin Nature.

In den Ribosomen wird die im Botenmolekül mRNA gespeicherte Information abgelesen und in Proteine übersetzt. Ist das Botenmolekül fehlerhaft, bleibt es im Ribosom stecken und blockiert dieses. Um die lebenswichtigen Ribosomen wieder funktionsfähig zu machen, besitzen Zellen deshalb verschiedene Recyclingsysteme. Mithilfe von kryo-elektronenmikroskopischen Strukturanalysen ist es Wilsons Team nun erstmals gelungen, die Funktion des bakteriellen Recyclingfaktors ArfA aufzuklären. Wie die Wissenschaftler zeigen, rekrutiert ArfA in Gegenwart eines defekten Botenmoleküls einen sogenannten Terminationsfaktor, welcher das unvollständige Protein aus dem Ribosom entfernt. Daraufhin können sich die beiden Untereinheiten des Ribosoms auf konventionelle Weise trennen und für weitere Proteinsynthesen rekrutiert werden.

„Unsere Ergebnisse können zur Entwicklung neuer Antibiotika beitragen, die das ArfA-gesteuerte Recycling unterbinden“, sagt Wilson. Da das Ribosomen-Recycling in Menschen durch andere, mit ArfA nicht verwandte Faktoren gesteuert wird, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass solche Inhibitoren spezifisch auf Bakterien wirken und diese abtöten könnten.

Publikation:
Nature 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

technologiewerte.de – MOOCblick Dezember 2016

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:

The Value of Business Models
Harry Bouwman (TU Delft) et al.
Start: 13.12.2016 / Arbeitsaufwand: 12-24 Stunden

Externer Link: www.edx.org