Wie Pflanzen mit Pilzen Freundschaft schließen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.09.2016

Neu identifiziertes Gen MIG1 steuert Entwicklung der Wurzelrinde und ermöglicht Symbiose mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen – Kultivierung könnte zu nachhaltiger Landwirtschaft beitragen

Viele Pilze schädigen Pflanzen und töten sie. Aber es gibt auch pflanzenfreundliche Pilze: Die meisten Landpflanzen leben in einer engen Gemeinschaft mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen (AM-Pilzen), die ihr Wachstum fördern. Wie diese Symbiose zustande kommt, untersuchen Forscher der Gruppe „Molecular Phytopathology“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Wissenschaftler haben nun ein Gen identifiziert, das von den AM-Pilzen gezielt aktiviert wird und die Entwicklung der Pflanzenwurzel beeinflusst: Der GRAS-Transkriptionsfaktor MIG1 sorgt dafür, dass mehr und größere Wurzelrindenzellen entstehen. Darüber berichten die Forscher in der Zeitschrift Current Biology (DOI: 10.1016/j.cub.2016.07.059).

Die meisten Landpflanzen leben in einer Symbiose mit AM-Pilzen – in einer engen Beziehung, von der beide Seiten profitieren: Die AM-Pilze helfen den Pflanzen, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphat sowie Wasser aus dem Boden zu ziehen, schützen sie vor Schädlingen und fördern darüber hinaus das Pflanzenwachstum, indem sie die Wurzelentwicklung beeinflussen. Als Gegenleistung versorgen die Pflanzen die AM-Pilze mit Kohlehydraten, die sie durch Photosynthese erzeugen. Die Symbiose verbessert Wachstum und Gesundheit der Pflanzen auch unter schwierigen Bedingungen, wie nährstoffarme Böden und Stress. Kontrolliert kultiviert, könnten Gemeinschaften von Kulturpflanzen mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen helfen, Dünger und Pestizide einzusparen, und somit zu einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen.

Doch wie kommt die freundschaftliche Beziehung zwischen Pflanze und Pilz überhaupt zustande? Dieser Frage gehen Wissenschaftler der Gruppe „Molecular Phytopathology“ unter Leitung von Professorin Natalia Requena am Botanischen Institut des KIT nach. In grundlegenden Forschungsarbeiten untersuchen sie die molekularen Prozesse bei der Ausbildung der Symbiose. Was die Förderung des Pflanzenwachstums über die Wurzelentwicklung betrifft, haben die Wissenschaftler nun ein Pflanzengen identifiziert, das von den AM-Pilzen gezielt aktiviert wird – den GRAS-Transkriptionsfaktor MIG1, der die Größe der Wurzelrindenzellen bestimmt. Anhand von Medicago truncatula, einer Pflanzenart aus der Gattung der Schneckenklees, haben die Karlsruher Forscher die Rolle von MIG1 untersucht. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Current Biology.

„Die Ausbildung einer Symbiose mit arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen verlangt von Pflanzen eine außergewöhnliche und genau gesteuerte Anpassung“, erklärt Professorin Natalia Requena. „Die Pflanze aktiviert ihre genetischen Programme für eine solche Symbiose noch vor dem ersten physischen Kontakt mit dem Pilz, sobald sie einen von diesem abgesonderten Signalstoff empfängt.“ Im Folgenden liegt die Kontrolle der Ausbildung der Symbiose vorwiegend bei der Pflanze. Die Besiedlung von Pflanzenwurzeln durch AM-Pilze ist auf das Abschlussgewebe und die Rinde beschränkt. Dabei dringen die Hyphen (Zellfäden) des Pilzes tief in die Wurzelrinde ein und bilden weitverzweigte Strukturen, sogenannte Arbuskeln. Die Pflanze umhüllt die Arbuskeln mit einer eigens synthetisierten periarbuskulären Membran (PAM).

Bei der Regulierung der Wurzelkolonisation und der Bildung von Arbuskeln übernehmen bestimmte Proteine, die einer pflanzenspezifischen Familie von Proteinen – der GRAS-Protein-Familie – angehören, wesentliche Funktionen. Sie wirken als Transkriptionsfaktoren, welche die Aktivität anderer Gene steuern, das heißt sie an- oder ausschalten. Beispielsweise ermöglicht das Protein RAM1 die Verzweigung der Arbuskeln, RAD1 ihre Erhaltung, und NSP1, NSP2 und DIP1 kontrollieren den allgemeinen Kolonisationsvorgang. Die Forscherinnen und Forscher um Professorin Natalia Requena identifizierten nun den Transkriptionsfaktor MIG1 (Mycorrhiza Induced GRAS 1). Dessen stärkste Expression ist in Zellen zu beobachten, die Arbuskeln enthalten. MIG1 verändert die Wurzelrindenentwicklung wesentlich, indem es dafür sorgt, dass mehr und größere Wurzelrindenzellen entstehen, sodass der Durchmesser der Wurzeln insgesamt deutlich zunimmt. Umgekehrt führt eine Herunterregulierung von MIG1 zu missgebildeten Arbuskeln. (or)

Publikation:
Carolin Heck, Hannah Kuhn, Sven Heidt, Stefanie Walter, Nina Rieger and Natalia Requena: Symbiotic fungi control plant root cortex development through the novel GRAS transcription factor MIG1. Current Biology, 2016. DOI: 10.1016/j.cub.2016.07.059

Externer Link: www.kit.edu

Wie der Computer unsere Vorlieben errät

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Presseaussendung der TU Wien vom 14.09.2016

Was unser Traum-Reiseziel ist, wissen wir oft selber nicht – doch Algorithmen, wie sie an der TU Wien und vom Spin-off-Unternehmen Pixtri entwickelt werden, machen intelligente Vorschläge.

Täglich versuchen Computer zu erraten, was uns gefallen könnte: Onlineshops schlagen uns neue Produkte vor, Filmstreaming-Anbieter versuchen, unseren Filmgeschmack zu verstehen, Werbefirmen wollen passende Werbebanner für uns auswählen. Doch oft liegen diese Empfehlungs-Tools auch ziemlich falsch. An der TU Wien hat man einen neuen Ansatz gewählt, der gemeinsam mit dem TU-Spin-off-Unternehmen Pixtri weiterentwickelt wird. Man versucht den User durch Bilder einem bestimmten Typus zuzuordnen. Bei komplizierten Aufgaben, etwa bei der Suche nach dem optimalen Reiseziel, liefert das neue Verfahren sehr gute Ergebnisse, die mit herkömmlichen Methoden nicht zu erzielen wären.

User analysieren statt Produkte bewerten

„Die meisten Empfehlungs-Tools haben einfach zu jedem Produkt eine Liste von Eigenschaften abgespeichert“, erklärt Julia Neidhardt vom Institut für Softwaretechnik und Interaktive Systeme der TU Wien. „Man bekommt dann Produkte vorgeschlagen, die ähnliche Eigenschaften haben oder zu ähnlichen Kategorien gehören wie die, die man bereits gekauft hat.“ So ist es einfach, einem Käufer von Golfschlägern auch den Kauf von Golfbällen zu empfehlen – doch komplexe Aufgaben wie etwa die Auswahl eines Reiseziels können auf diese Weise kaum gelöst werden.

An der TU Wien versucht man es daher anders herum: Nicht das Produkt soll charakterisiert werden, sondern der User. Man bekommt eine Reihe von Bildern angezeigt und soll diejenigen auswählen, die einem am besten gefallen. Basierend darauf kann man einem bestimmten Urlaubertyp zugeordnet werden, und der Computer schlägt passende Reiseziele vor.

Die Idee geht auf Prof. Hannes Werthner zurück, der an der TU Wien die Arbeitsgruppe für e-commerce leitet. Was als Grundlagenforschung begann wurde bald zum wirtschaftlichen Erfolg – nicht zuletzt durch das TU-Spin-off Pixtri, einer Firma, die für verschiedene Anbieter Empfehlungs-Software herstellt. „Stimmungsbilder, die man über Bilder abfragen kann, sind für uns viel interessanter als die Hard Facts über unserer User, etwa das Alter oder der Wohnort“, erklärt Rainer Schuster von Pixtri, der selbst bei Hannes Werthner an der TU Wien promovierte.

Das System ist einfach zu bedienen, mit wenigen Mausklicks gelangt man zu einem Ergebnis, doch dahinter stecken mehr komplizierte Forschungsfragen als man auf den ersten Blick meinen könnte. „Wir unterscheiden sieben Reisefaktoren, um individuelle Vorlieben zu beschreiben – dabei konnten wir uns auf Einteilungen stützen, die es bereits gab“, sagt Rainer Schuster. „Eine Herausforderung ist es, die optimalen Bilder zu finden, dafür haben wir zahlreiche Tests mit vielen Versuchspersonen durchgeführt.“

Ein Foto von einem Traumstrand findet fast jeder schön, das sagt wenig über den Reisetyp des Users aus. Man muss daher für diesen Zweck nicht unbedingt Fotos auswählen, die sich als Umschlagbild für einen Reiseprospekt eignen würden, sondern Fotos, die statistisch gesehen besonders gut dafür eignen, zwischen unterschiedlichen Reisevorlieben zu unterscheiden.

Konzerttipps und Mode

Dasselbe Verfahren lässt sich auch für andere Zwecke einsetzen – etwa für die Suche nach passenden Veranstaltungen und Konzerten. „Wir können dann zusätzlich zu Bildern auch kurze Soundbytes verwenden“, sagt Schuster. Das muss kein Ausschnitt aus einem Musikstück sein, auch in diesem Bereich funktioniert die Zuordnung subtiler: Ob jemand einen Audioclip mit jubelnder Menge beim Rockkonzert gut findet, ob jemand das Geräusch einer geöffneten Bierdose ganz nach oben reiht – all das kann viel darüber aussagen, welche Veranstaltung dieser Person vorgeschlagen werden sollten. besser „Auch im Bereich Mode und Schmuck gibt es bereits Pläne, die Algorithmen von TU Wien und Pixtri zu verwenden, an konkreten Kooperationen wird bereits gearbeitet.“

„Noch komplizierter wird die Sache, wenn man nach der optimalen Lösung für mehrere Personen mit unterschiedlichen Bedürfnissen sucht – zum Beispiel nach einem Urlaubsziel für eine Reisegruppe“, sagt Julia Neidhardt. „Da ist noch spannende Grundlagenforschung zu erledigen, aber wir sind zuversichtlich, dass wir auch dabei Erfolg haben werden.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Weltweit erster Einsatz eines Laser-Knochenschneid-Roboters

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.09.2016

Das Universitätsspital Basel nimmt als weltweit erstes Spital einen Roboter in Betrieb, der mittels Laser Knochen schneidet. Roboter «Carlo» – hergestellt von einem Spin-Off der Universität und des Universitätsspitals Basel – kann für sämtliche Knochenschnitte eingesetzt werden. Vorerst handelt es sich um einen Forschungs-Roboter, der bis 2018 für die klinische Anwendung zertifiziert werden soll.

«Carlo» ist längst kein Unbekannter mehr. Er hat mehrere Preise gewonnen und zahlreiche Medien haben schon über ihn berichtet. Bisher wurde die Konstruktion des Knochenschneid-Roboters in Labors vorangetrieben. Nun aber ist die Entwicklung einen entscheidenden Schritt weitergekommen, denn «Carlo» ist jetzt für die Anwendungsforschung einsatzbereit.

Den ersten lieferbaren Forschungs-Carlo nimmt das Universitätsspital Basel in Betrieb. Hergestellt wird der Roboter von der Firma Advanced Osteotomy Tools AG AOT, einem Spin-Off der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel. Bis zum ersten klinischen Einsatz von «Carlo» sind noch einige Hürden zu nehmen. Noch im laufenden Jahr werden die präklinischen und 2017 die klinischen Versuche über die Bühne gehen. Läuft alles nach Plan ist für 2018 die Zertifizierung vorgesehen. Erst dann wäre der Weg frei, dass der Laserstrahl von «Carlo» erstmals Knochen von Patientinnen und Patienten schneiden könnte.

Neue Dimension erreicht

Die Vorteile, die «Carlo» im klinischen Einsatz verspricht, sind äusserst verheissungsvoll: Mit einer Schnittbreite von nur 0,2 Millimeter sind die Knochenschnitte fünf bis zehn Mal feiner als jene einer konventionellen oszillierenden Knochensäge. Kommt hinzu, dass «Carlo» auch Wellenlinien, Zickzackmuster, Kurven, S-Formen oder puzzleförmige Teile schneiden kann. Damit lassen sich Knochen besser wieder zusammenfügen, was die Heilung wesentlich beschleunigt, weniger Komplikationen zur Folge hat und die Stabilität der Knochen-Rekonstruktion stärkt. «Carlo» hat aber auch ganz praktische Vorteile, denn für den Schnitt sind keine Instrumente nötig, die gereinigt, kontrolliert, gewartet und steril verpackt werden müssen.

«Carlo» steht für Cold Ablation Robot-guided Laser Osteotome. Gesteuert wird der Roboter von einem Computer, den ein Chirurg ausgehend von einer Computertomographie für die Operation programmiert. Anschliessend führt der einarmige «Carlo» unter Aufsicht des Chirurgen den Schnitt mittels Laserstrahl selbständig, präzise und kontaktfrei durch. Bisher liessen sich Knochen nicht mit Laser schneiden, weil die erzeugte Hitze das Knochengewebe beschädigte. Mit den Möglichkeiten, die «Carlo» eröffnet, kann die Medizintechnologie eine neue Dimension erreichen.

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick September 2016

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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:

Learning From Data (Introductory Machine Learning)
Yaser S. Abu-Mostafa (Caltech)
Start: 18.09.2016 / Arbeitsaufwand: 100-200 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Computersimulation kann Kindern Herzeingriffe ersparen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2016

Kinder mit angeborenen Herzfehlern müssen oft eine lange Reihe von belastenden Untersuchungen und Eingriffen über sich ergehen lassen. Im EU-Projekt CARDIOPROOF haben Fraunhofer-Forscher eine Software entwickelt, mit denen sich bestimmte Interventionen im Vorfeld simulieren lassen. Erste Erfahrungen zeigen, dass man dadurch künftig auf manch einen Eingriff verzichten könnte.

Für die Eltern ist es zunächst ein Schock: Wird ihr Kind mit einer Aortenisthmusstenose geboren, ist die Aorta so stark verengt, dass früher oder später lebensgefährliche Herzprobleme drohen. Zum Glück lässt sich dieser Herzfehler heute gut behandeln, etwa durch das Einführen einer Gefäßstütze (Stent). Allerdings sind, verteilt über die Jahre, oft mehrere Eingriffe nötig – eine Belastung für Kind und Eltern. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS in Bremen hat eine Software entwickelt, die verschiedene Arten von Interventionen simulieren kann und dadurch einen Vergleich zwischen ihnen ermöglicht. Dadurch könnte die Qualität der Therapie verbessert sowie die Notwendigkeit eines Eingriffs erwogen werden. So manche Operation könnte den jungen Patienten erspart bleiben. Die Arbeiten erfolgten im EU-Projekt CARDIOPROOF, das Ende 2016 abgeschlossen sein wird.

Ausgangspunkt für die Rechnersimulation sind Bilder, die ein Magnetresonanz-Scanner (MR-Scanner) von den Herzen der Patienten macht. Die Aufnahmen zeigen nicht nur die Form der Gefäße, sondern stellen auch den Blutfluss dar. »Daraus können unsere Algorithmen ermitteln, welche Blutdruck-Verhältnisse dort herrschen«, erläutert Dr. Anja Hennemuth, Forscherin bei Fraunhofer MEVIS. »Wichtig ist unter anderem, wie stark sich der Blutdruck vor und hinter einer Gefäßverengung unterscheidet.« Ausgehend von dieser sogenannten Druckfeldsimulation können die Experten verschiedene Arten von Interventionen im Rechner nachbilden und abschätzen, welche Auswirkungen der jeweilige Eingriff hätte.

Gefäßstützen virtuell testen

So ist es den Forschern möglich, einen virtuellen Ballonkatheter aufzublasen und zu prüfen, wie sich das auf Blutfluss und Blutdruck auswirken würde. Oder sie spielen am Rechner das Einsetzen verschiedenartiger Gefäßstützen durch. Mit diesem »virtuellen Stenting« sind sie in der Lage, herauszufinden, welches Stent-Modell am besten geeignet ist und an welcher Stelle es positioniert werden sollte. »Mit Hilfe unserer Software können die Mediziner fundierter entscheiden, welche Art von Eingriff am günstigsten ist, ob man ihn auf einen späteren Zeitpunkt verschieben sollte und ob eine Intervention überhaupt nötig ist«, erläutert Hennemuth.

CARDIOPROOF hat zum Ziel, ein praxistaugliches System für den klinischen Einsatz zu entwickeln. »Wir wollten die Methode so gestalten, dass sie für den Ablauf im Krankenhaus nutzbar ist«, betont Hennemuth. Dazu haben die Bremer Fachleute eng mit den am Projekt beteiligten Kliniken zusammengearbeitet. Unter anderem untersuchten sie, wie sich die neue Software am besten in die Abläufe in den Krankenhäusern integrieren lässt. Auch die Nutzeroberfläche wurde in enger Abstimmung mit den Ärzten entwickelt und getestet.

Software berechnet Blutströme und -drücke

Um zu prüfen, wie realitätsgetreu die Computersimulationen sind, haben die Experten klinische Studien am Deutschen Herzzentrum in Berlin durchgeführt. Dazu wurden die jungen Herzpatienten nach dem Eingriff nochmals per MR-Scanner untersucht. Dadurch ließen sich die Blutströme vor und nach der Intervention erfassen und mit den Simulationen abgleichen. Das Ergebnis: Das Softwaretool sagt die Blutströme und -drücke hinreichend genau voraus.

Mit Hilfe der webbasierten Software kann der Mediziner innerhalb von 30 Minuten Blutfluss und Blutdruck in der Aorta rekonstruieren. Anschließend lässt sich virtuell ein Eingriff durchspielen. Das Ergebnis dieser Simulation liegt in der Regel nach einer weiteren halben Stunde vor. »Wir haben die Eignung für die klinische Praxis gezeigt«, sagt Anja Hennemuth. »Die nächsten Schritte wären Qualitätssicherung, Zulassung und Überführung in eine kommerzielle Lösung.« Ein entsprechendes Anschlussprojekt ist bereits von LYNKEUS, einem der CARDIOPROOF-Industriepartner, bei der EU beantragt.

Dass die Computersimulationen nicht nur die Belastung für Kinder und Eltern senkt, sondern auch Kosten fürs Gesundheitssystem spart, hat ein weiterer Projektpartner ermittelt: Die London School of Economics analysierte im Detail, welchen finanziellen und organisatorischen Nutzen das neue Verfahren gegenüber der derzeitigen Praxis haben könnte. Das Ergebnis: Da die Software die Zahl von Komplikationen und Nachfolgebehandlungen verringern dürfte, könnten die Behandlungskosten pro Patient in einem Idealszenario bis zu zehn Prozent sinken.

Externer Link: www.fraunhofer.de