Mit Nanobodies aus Kamelen lässt sich das Organwachstum untersuchen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.11.2015

Forscher am Biozentrum der Universität Basel haben eine neue Untersuchungsmethode mit Nanobodies entwickelt. Mit dem sogenannten «Morphotrap» konnte nun erstmals in der Fruchtfliege die Funktion des Morphogens Dpp, das für das Flügelwachstum eine wichtige Rolle spielt, bestimmt werden. Auch zukünftig lässt sich die Methode für viele weitere Untersuchungen zum Organwachstum einsetzen. Die Ergebnisse der Studie sind jetzt im Fachjournal «Nature» publiziert.

Zwei grundlegende Prozesse, die die Organentwicklung steuern, sind das Grössenwachstum und die Regulation der räumlichen Form. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat nun die Methode «Morphotrap» entwickelt, mit der sie die Entwicklung des Flügels in der Fruchtfliege untersuchten.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass das Signalmolekül Dpp, ein sogenanntes Morphogen, das Grössenwachstum im Zentrum der Imaginalscheibe des Flügels, nicht aber das Wachstum der peripheren Bereiche beeinflusst. Es ist das erste Mal, dass zu einer solchen Untersuchung ein Anti-GFP-Nanobody erfolgreich eingesetzt wurde. Diese Methode ermöglicht auch zukünftig neue Untersuchungen zur Organentwicklung.

Neue Methode «Morphotrap»: Nanobodies visualisieren Grössenwachstum

Nanobodies sind kleinste Antikörperfragmente, die von Kamelen gewonnen werden, und mit deren Hilfe sich Moleküle im lebendigen Organismus greifbar machen lassen. Bei der Methode «Morphotrap» setzen die Wissenschaftler um Affolter Anti-GFP-Nanobodies ein. Diese Nanobodies ermöglichen es, die Funktionen von GFP-markierten Proteinen im lebenden Organismus schneller und gezielter zu untersuchen als mit herkömmlichen Methoden.

«Diese Anti-GFP-Nanobodies halten das Morphogen Dpp an unterschiedlichen Stellen im Flügel zurück, so dass sich der Einfluss von Dpp auf das Wachstum erkennen und verändern lässt», erklärt Stefan Harmansa, Erstautor der Studie.

Morphogen Dpp reguliert Grössenwachstum im Zentrum der Imaginalscheibe

Um den Einfluss des Morphogens Decapentaplegic (Dpp) genauer zu bestimmen, untersuchte Affolters Gruppe die Flügelscheibe der Fruchtfliege, genauer gesagt die Imaginalscheibe. Diese ist das Vorläufergewebe des erwachsenen Fliegenflügels und dient als Modell für Untersuchungen zur Organentwicklung.

«Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Morphogen Dpp lediglich für das Wachstum im Zentrum der Imaginalscheibe eine Rolle spielt. Die peripheren Bereiche wachsen auch dann, wenn wir Dpp daran hindern, in diese Regionen vorzudringen», so Harmansa. «Mithilfe des GFP-Nanobodies konnten wir nun erstmals aufzeigen, inwieweit das Morphogen Dpp die Flügelgrösse mitbestimmt und haben so eine der beiden vorherrschenden Theorien auf diesem Gebiet widerlegt», sagt Harmansa.

Dass sich GFP-Nanobodies so erfolgreich für Untersuchungen in komplexen Lebewesen einsetzen lassen, ist eine grosse Errungenschaft. Auch für zukünftige Forschungsprojekte möchte Affolter die Methode nun verwenden: «Wir werden in einem nächsten Schritt untersuchen, wann das Morphogen Dpp zeitlich wirkt. Die Korrelation zwischen dem räumlichen und zeitlichen Einfluss von Dpp wird uns neue Erkenntnisse über das Organwachstum und vielleicht auch über mögliche Gründe für Störungen in diesem Prozesse liefern», so Affolter.

Originalbeitrag:
Stefan Harmansa, Fisun Hamaratoglu, Markus Affolter & Emmanuel Caussinus
Dpp spreading is required for medial but not for lateral wing disc growth
Nature (2015), doi: 10.1038/nature15712

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick November 2015

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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:

Philosophy: Minds and Machines
Alex Byrne (MIT)
Start: 17.11.2015 / Arbeitsaufwand: 36-48 Stunden

Externer Link: www.edx.org

LEDs wirtschaftlich recyceln

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2015

In Fernsehern und Leuchtmitteln sind sie massenhaft verbaut. Auch in Autoscheinwerfern werden LEDs immer häufiger. Noch gibt es kein geeignetes Recyclingverfahren für die Leuchtdioden. Fraunhofer-Forscher haben eine Methode entwickelt, die Komponenten von LED-Leuchtmitteln mechanisch trennt.

In modernen Leuchtmitteln sind unterschiedliche Materialien verbaut: Glas oder Kunststoff im Gehäuse, Keramik oder Aluminium im Kühlkörper, Kupfer in Widerständen oder Kabeln – und das Wertvollste im Innern der Leuchtdioden, kurz LEDs (engl. light emitting diodes): Indium und Gallium in der Halbleiterdiode und Seltene Erden wie Europium oder Terbium im Leuchtstoff. Die Dioden herzustellen ist deswegen vergleichsweise teuer, die Margen sind gering. »Schon jetzt fallen bei den Recyclern erste LED-Produkte an, die derzeit nur gelagert werden und für die es keinen geeigneten Recyclingprozess gibt. Ziel ist es vor allem, die wertvollen Materialien zurückzugewinnen. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis die Verwerter auf das LED-Recycling umsteigen müssen«, sagt Jörg Zimmermann aus der Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau und Hanau des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC.

Komponenten mit Hilfe von Druckwellen ablösen

Mit Hilfe der »elektrohydraulischen Zerkleinerung« zerlegen die Forscher die LED-Leuchtmittel in ihre Einzelteile, ohne dabei die LEDs selbst zu zerstören. Druckwellen elektrischer Impulse lösen in einem Wasserbad die einzelnen Komponenten mechanisch exakt an ihren Sollbruchstellen ab. Die Bauteile können separat wiederverwertet werden. Ihren Versuchsaufbau haben die Forscher für Retrofit-Leuchtmittel angepasst. Sie ähneln in ihrem Aussehen der klassischen Glühbirne oder Leuchtstoffröhre und können genau wie diese in handelsübliche Lampenfassungen geschraubt werden. »Die Methode funktioniert jedoch prinzipiell auch bei anderen Größen – zum Beispiel für LEDs aus Fernsehern und Autoscheinwerfern oder für andere elektronische Bauteile«, erklärt der Experte.

Die Bauteile sauber und rein zu trennen, ist Voraussetzung dafür, den Recyclingprozess wirtschaftlich zu gestalten. »Um alle Komponenten eines LED-basierten Leuchtmittels effizient zu separieren und wiederzuverwerten, bedarf es eines völlig anderen Zerkleinerungskonzepts, welches zu größeren Mengen an Halbleiter- und Leuchtstoff-Komponenten führt«, so Zimmermann. Würde man den Retrofit als Ganzes zerkleinern, wäre es um ein Vielfaches schwerer, die unterschiedlichen Stoffe in der klein gemahlenen Mischung zu sortieren. Durch das Auftrennen in die einzelnen Komponenten lassen sich auch größere Mengen der in ihnen enthaltenen Stoffe leichter zurückgewinnen: Dies gelingt, indem man viele ähnliche Komponenten sammelt, in denen die Konzentration einzelner Stoffe bereits höher ist. »Für Recycler und Hersteller lohnt sich das Wiederverwerten nur, wenn sie größere Mengen verwerten«, beschreibt Zimmermann.

»Wir testen noch, ob man das Zerkleinern zukünftig so oft wiederholen kann, bis man die gewünschten Stoffe separiert hat«, betont Zimmermann. Die Forscher können die Parameter des Versuchaufbaus so einstellen – zum Beispiel die Art und Menge des flüssigen Mediums, Behältergröße, Spannung, die den elektrischen Impuls erzeugt –, dass genau an den Sollbruchstellen getrennt wird. »Insbesondere die Anzahl der Pulse bestimmt, in welcher Weise die Bauteile separiert werden«, sagt der Wissenschaftler.

Die elektrohydraulische Zerkleinerung soll nun im Detail weiter analysiert, verbessert und für weitere Anwendungen ausgeweitet werden. »Mit unserer Forschungsarbeit haben wir gezeigt, dass das mechanische Trennen ein möglicher Weg ist, um zum wirtschaftlichen Recycling von LEDs beizutragen«, so Zimmermann.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Trampolinspringende Wassertröpfchen

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 04.11.2015

Materialien, die Wasser und Eis von selbst extrem stark abstossen, sind in der Luftfahrt und vielen anderen technischen Anwendungen begehrt. ETH-Forscher haben jetzt herausgefunden, wie man die starren Oberflächen solcher Materialien gezielt designen kann – indem sie Wassertröpfchen das Trampolinspringen beibrachten.

Wer in den nächsten Monaten mit dem Flugzeug reist, wird möglicherweise Zeuge eines winterlichen Luftfahrt-Rituals, bei dem die Tragflächen vor dem Start mit einer Spezialflüssigkeit von Eis und Schnee befreit werden. Das ist nötig, da kleinste Wassertröpfchen in der Luft bei bestimmten Wetterbedingungen zu Eis gefrieren können, wenn sie sich auf den Flugzeugflügeln niederlassen. Das wiederum kann zu einer Verwirbelung des Luftstroms beim Start und dadurch zu einem geringeren Auftrieb führen, was schnell gefährlich werden kann.

Noch besser als eine solche Enteisung wäre natürlich, wenn die Eistropfen erst gar nicht an den Tragflächen hafteten oder von diesen gar aktiv abgestossen würden. ETH-Forscher haben jetzt in einer im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichten Studie gezeigt, dass es im Prinzip möglich ist, Materialien zu entwickeln, die gegen Eis und Wasser geradezu allergisch sind. Zunächst einmal brachten sie dazu kleinen Wassertröpfchen das Trampolinspringen bei.

Mysteriöse Kräfte

ETH-Professor Dimos Poulikakos und seine Mitarbeiter am Labor für Thermodynamik in neuen Technologien studierten das Verhalten von Wassertropfen auf Oberflächen, indem sie einen millimetergrossen Tropfen auf eine speziell bearbeitete starre Silizium-Oberfläche setzten und dann den Luftdruck in der Experimentierkammer stetig absenkten, während eine Hochgeschwindigkeitskamera den Tropfen filmte. Zunächst blieb der Tropfen still auf der Oberfläche liegen, doch bei etwa einem Zwanzigstel des normalen Atmosphärendrucks sprang er plötzlich hoch. Nach einem kurzen Hüpfer landete der Tropfen schliesslich wieder auf der Oberfläche und sprang erneut hoch – und zwar noch höher als beim ersten Mal. Wie ein Trampolinspringer, der mit jedem Sprung  vom elastischen Sprungtuch an Höhe gewinnt, wurde auch der Wassertropfen bei jedem Kontakt mit der Oberfläche immer höher geschleudert, obwohl diese absolut starr war. Was für den Laien nach Magie aussieht, erscheint dem Experten zunächst einmal als die vermeintliche Verletzung grundlegender physikalischer Gesetze, nach denen ein Körper, der auf eine starre Oberfläche trifft, eigentlich nicht spontan Bewegungsenergie gewinnen und damit höher zurückspringen kann. Genau dies aber scheint beim trampolinspringenden Wassertropfen zu geschehen.

Tropfen mit Raketenantrieb

Um zu verstehen, woher die Kraft kam, welche die Wassertröpfchen hochschleuderte, analysierte Poulikakos mit seinen Postdoktoranden Tom Schutzius und Stefan Jung bis ins Detail die Bewegungen des Tropfens sowie, mit einer Wärmebildkamera, die Temperaturverteilung in seinem Inneren. Die ETH-Wissenschaftler, die in den letzten Jahren bereits einigen Rätseln von Wassertropfen auf die Spur gekommen sind, fanden jetzt heraus, dass das Zusammenspiel der natürlichen Wasserverdampfung und der Mikrostruktur der Materialoberfläche für das Trampolin-Phänomen eine entscheidende Rolle spielt. Der Überdruck, der durch die Verdampfung zwischen Oberfläche und Tropfen entsteht, schleudert diesen wie eine Feder bei jedem Aufprall in die Höhe.

Beim Gefrieren eines weit unter null Grad gekühlten («supergekühlten») Wassertropfens wird der Verdampfungseffekt durch die so genannte Rekaleszenz weiter verstärkt. Dieser Effekt ist aus der Metallverarbeitung bekannt, etwa bei geschmiedetem Eisen, das sich während des Abkühlens kurzfristig noch einmal von selbst bis zur Rotglut erhitzt. Das liegt daran, dass das Innere des Eisens erstarrt und dabei latente Wärme freisetzt.

Ganz Ähnliches geschieht bei einem Wassertropfen: Ein Tropfen, der durch Verdunstung von Wasser an seiner Oberfläche unter den Gefrierpunkt abkühlt, bildet zunächst Eiskristalle. Die Wärme, die bei diesem Phasenübergang von flüssig zu fest abgegeben wird, heizt den Tropfen dann schnell auf null Grad auf. «Diese Erwärmung passiert in wenigen Millisekunden», erklärt Schutzius, «und führt im Anschluss daran zu einer explosiven Verdampfung.» Daraufhin kühlt der Tropfen erneut ab, und der Zyklus wiederholt sich. Die explosive Verdampfung führt zu einem noch grösseren Überdruck zwischen Tropfen und Oberfläche und lässt ihn dadurch wie eine Rakete abheben.

Intelligentes Oberflächendesign

Der eigentlich Clou des Ganzen liegt allerdings in der Oberfläche selbst: Zum einen muss sie rau sein, damit der Wassertropfen nicht an ihr hängen bleibt, zum anderen aber darf sie nicht zu rau sein, da sonst der Wasserdampf zu schnell durch die Poren und Ritzen der Oberfläche entweichen und der Raketeneffekt damit buchstäblich verpuffen würde. Die von den ETH-Forschern hergestellten mikrostrukturierten Silizium-Oberflächen erfüllen genau diese Bedingungen: Sie bestehen aus kleinen (nur wenige Mikrometer grossen) Säulen, die im Abstand von etwa fünf Mikrometern regelmässig angeordnet sind.

«Aus unseren Forschungsergebnissen können wir ableiten, wie Oberflächen generell beschaffen sein müssen, um Wasser und Eis energisch abzustossen, und sie dann entsprechend designen», sagt Poulikakos. In ihrem Experiment untersuchten die Forscher verschiedene Materialien, darunter oberflächenbehandeltes Aluminium und Kohlenstoff-Nanoröhren.

Um den Trampolin-Mechanismus noch praxistauglicher zu machen, müsste man freilich soweit kommen, dass er auch bei normalem Luftdruck funktioniert. Poulikakos und seine Mitarbeiter hoffen, in den nächsten Jahren Fortschritte in diese Richtung zu machen. Dann wären verschiedenste Anwendungen denkbar, die von eisfreien Hochspannungsleitungen bis hin zu wasser- und eisabweisenden Strassenbelägen reichen – und vielleicht eines Tages die Enteisung von Flugzeugflügeln überflüssig machen.

Literaturhinweis:
Schutzius TM, Jung S, Maitra T, Graeber G, Köhme M, Poulikakos D: Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces, Nature, 4. November 2015, doi: 10.1038/nature15738

Externer Link: www.ethz.ch