Leuchtende Bäume – Die Straßenlaternen der Zukunft?

Glowing Plants; Source: Seon-Yeong Kwak

Der globale Energieverbrauch ist enorm und steigt rapide. Glaubt man den Zahlen der Internationalen Energie Agentur IEA, so lag der sogenannte Weltenergieprimärbedarf bei 21.963 Terrawattstunden (TWh), also 21.963 Billionen (1012!) Watt. Das ist die Energie, die von knapp 2000 Atomkraftwerken (AKW) erzeugt werden müsste (nimmt man ein AKW mit 1400 Megawatt Leistung als Referenz).

Nun gibt es weltweit Anstrengungen, den Energiebedarf zu senken, um die globalen Ressourcen zu schonen und auch die damit einhergehende Umweltverschmutzung einzudämmen. Maßnahmen, wie der Einsatz von Energiestromlampen, Kühlschränken und Waschmaschinen mit A+++-Effizienzklasse, Wärmerückgewinnungsmaßnahmen in der Industrie werden immer häufiger eingesetzt, da wir schon heute mehr verbrauchen, als unser wunderbarer Planet hergibt. Eine eindrucksvolle Zahl, genauer gesagt ein Datum, zeigt uns in diesem Zusammenhang der vom „Global Footprint Network“ initiierte „Earth Overshoot Day“ oder auch „Erdüberlastungstag“. Dieser beziechnet den Tag eines Jahres an dem die humane Nachfrage nach natürlichen Ressourcen das natürliche Angebot und/oder die Reproduktionsrate unserer Erde übersteigt. 2017 war dies der 2. August, 1971 noch der
21. Dezember. Mit atemberaubendem Tempo brauchen wir Menschen also die Ressourcen auf, die uns unser Planet netterweise zur Verfügung stellt.

Auch die Straßenbeleuchtung aller deutschen Kommunen trägt mit jährlich ca. 600 TWh zu diesem enormen Energiebedarf bei.

Wir sehen also: es muss sich etwas tun und genau hier kommt ein genialer und visionärer Ansatz von Forschern um Prof. Michael Strano vom MIT ins Spiel. Er und seine Arbeitsgruppe arbeiten an einer Technik, um eines Tages Bäume, die an Straßen stehen, als organische Straßenlaternen einsetzen zu können. Klingt absurd oder nach unrealistischer Science-Fiction? Ich denke nicht, schaut man sich erste Arbeiten dieser Wissenschaftler an: u.a. modifizierte Kresse, welche für knapp 4 Stunden Licht erzeugen kann. Dazu stellten Sie in aufwendigen Verfahren drei aus verschiedenartigen Materialien bestehende und unterschiedlich große (10 und 100 nm) Nanopartikel her und koppelten jeweils ein bestimmtes Molekül an diese Partikel (siehe Grafik weiter unten):

1. Das an Silica gebundene Enzym Luciferase aus dem Glühwürmchen, das dort an der Lichtentstehung beteiligt ist (SNP-Luc)

2. an Poly(lactid-co-glycolid) gebundenes D-Luciferin, dem Substrat, welches vom Luciferin umgesetzt wird und dadurch Licht entsteht (PLGA-LH2) und

3. das an Chitosan gebundene Molekül mit dem schönen Namen Coenzym-A, welches die Lichtproduktion der Luciferase stabilisiert (CS-CoA).

Testpflanzen wurden nun in einem spzeiellen Verfahren mit einer Lösung dieser Nanopartikel behandelt, wodurch diese durch Stomata genannte Spaltöffnungen an der Unterseite der Blätter in das Blattgewebe und gezielt in sogenannte Mesophyll-Zellen manövriert wurden.

Engineering of living plants for visible light emission; Source: http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.7b04369#showFigures

Auch an einen Aus-Schalter haben die Forscher um Prof. Strano gedacht: ein weiteres Nanopartikel, beladen mit einem Molekül, dass die Funktion des Enzyms Luciferase stoppt. Sollten Probleme wie die Lichtintensität und Dauer, des von diesen Pflanzen ausgestrahlten Lichtes gelöst werden, und keine Gefahr von diesen Nanopartikeln für die Umwelt ausgehen, sollten derartigen Baum-Straßenlaternen nicht mehr viel im Wege stehen.

Dazu Prof. Strano:

“Unser Ziel ist es, einen Setzling oder eine reife Pflanze einmal zu behandeln, und diese Fähigkeit für die gesamte Lebensdauer zu erhalten“, sagt Strano. “Unsere Arbeit ermöglicht ernsthaft Straßenlaternen, die nichts anderes als behandelte Bäume sind, und indirekte Beleuchtung in der Umgebung von Häusern.”

Ich drücke die Daumen, dass dieses Projekt irgendwann einmal Realität wird. 

 

Warum fettleibige Mäuse sich nicht bewegen

Quelle: Wikimedia

Fettleibigkeit, Fettsucht, Adipositas – drei Bezeichnungen für eine moderne Plage der Menschheit.

Laut Nationaler Verzehrstudie sind über 35 % der Menschen in Deutschland übergewichtig und circa 20 % sogar adipös (BMI ≥ 30), sprich diese Menschen leiden an einer „Ernährungs- und Stoffwechselkrankheit mit starkem Übergewicht, die durch eine über das normale Maß hinausgehende Vermehrung des Körperfettes mit krankhaften Auswirkungen gekennzeichnet ist“. Gleichzeitig geht eine Adipositas mit Bewegungsarmut einher, was widerum den Teufelskreis aus Gewichtszunahme bzw. -abnahme schließt.

Nun wurden interessante Forschungsergebisse zu dieser Volkskrankheit veröffentlicht. Zwar in Mäusen, aber dennoch mit einem Nutzen für die Grundlagenforschung am Menschen.

Forscher des National Institute of Health in Bethesda (Maryland, USA) um
Alexxai Kravitz konnten eine Gewichtszunahme mit einer verminderten Bewegungsneigung in Verbindung bringen.

Fütterten die Forscher zwei Gruppen von Mäusen (gesunde vs. Mäuse mit einer Mutation in einem bestimmten Dopamin-Rezeptor) mit einer fettreichen Diät, so nahm die Aktivität des  DR2-Typ Dopamin-Rezeptors ab, wodurch sich die Mäuse weniger bewegten.

Genauso wie die DR2-mutierte Kontrollgruppe an Mäusen. Natürlich ist dies ein im Labor unter kontrollierten Bedingungen beobachtetes Ergebnis und man sollte diese Studie jetzt nicht als DEN Therapieansatz der Adipositas ansehen, da man auch nicht den Schluß ziehen sollte, dass nur das falsche Essen zur Adipositas führt. Dennoch ermöglicht diese Studie sehr interessante Einblicke in das Zusammenspiel von Ernährung und der Chemie des Gehirns, zusammengefasst in der nachfolgenden Grafik aus der Originalpunlikation.
Die Nährstoffe aus unserer Nahrung und seine Verstoffwechselung durch unsere Darmbakterien (unser intestinales Mikrobiom) spielt eine eminente Rolle, bei so ziemlich allem, was die korrekte Funktion unseres Organismus und somit unsere Gesundheit angeht. Zwar lehne ich mich mit dieser Aussage etwas weit aus dem Fenster, dennoch spricht eine stetig ansteigende Zahl an Studien dafür. Hoffentlich führen diese Studien bald zu einer besseren Therapie und somit zu einer Entlastung des Gesundheitssystems.

Mit Nanoskopie Moleküle sichtbar machen

Pixabay; DasWortgewand

Nanoskopie? Nie gehört. Liegt sicherlich darin, dass diese hochauflösenden Mikroskope eine noch relativ junge Entwicklung sind.

Mikroskope gehören zu den bahnbrechendsten Erfindungen der Neuzeit. Ohne diese Geräte wären zahlreiche Entdeckungen innerhalb der Biologie nicht möglich gewesen. Mit Hilfe der u.a. durch niederländische Linsenmacher Ende des 16. Jahrhunderts entwickelten ersten Lichtmikroskope, deren Linsen durch den ebenfalls niederländischen Naturforscher Antoni Van Leeuwenhoek stark verbessert wurden, konnten zum ersten Mal Einzeller (sogenannte Protozoen), aber auch Bakterien sichtbar gemacht und somit in die geheimnisvolle Welt des Mikrokosmos eingetaucht werden. Technisch gesehen machen Mikroskope nichts anderes als das Licht, welches sich seinen Weg durch ein Objekt bahnt, durch die spezielle Anordnung von diversen Linsen zu brechen und dadurch zu vergrößern. Wer mehr zu den physikalischen Prinzipien der Lichtmikroskope erfahren möchte, der kann dies sehr verständlich beschrieben hier nachlesen.

Allerdings sind klassische Lichtmikroskope physikalischen Grenzen bezüglich der optischen Auflösung unterworfen, dem sogenannten Abbe-Limit. Dieses begrenzt die mögliche optische Auflösung eines klassischen Lichtmikroskops. Will man also zwei nebeneinander liegende Punkte als einzelne Punkte wahrnehmen, so dürfen diese nicht näher als die halbe Wellenlänge des genutzten Lichts zusammenliegen. Da blaues Licht mit einer Wellenlänge von 400 Nanometern (nm) die unterste Grenze des Lichtspektrums darstellt, welches wir wahrnehmen können, liegt das Abbe-Limit somit bei 200 nm.

Das Überwinden dieser Grenze aber würde ungeahnte neue Erkenntnisse aus Gebieten wie der Zellbiologie oder Chemie liefern, wäre es doch dann möglich Moleküle in Echtzeit beobachten zu können. Genau dies hatten Forscher um Prof. Dr. Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und seine US-Kollegen Eric Betzig und William Moerner durch die Entwicklung des STED-Mikroskops möglich gemacht, wofür sie dann auch den Nobelpreis für Chemie im Jahre 2014 bekamen. Auflösungen bis zu 20 nm und live Bilder aus dem Inneren einer Zelle wurden nun möglich. Wie genau die fluoreszenz-basierte STED-Mikroskopie funktioniert veranschaulicht dieses sehr informative Video der Max-Planck-Gesellschaft.

Im Prinzip sehr simpel: möchte man bestimmte Moleküle hochaufgelöst beobachten, so markiert man diese zuerst mit einem Fluoreszenz-Farbstoff, welcher an dieses Molekül bindet und bei Bestrahlung mit einem Laser in einer bestimmten Farbe aufleuchtet. Liegen die Moleküle nun jedoch sehr nah beieinander, so leuchten sie nun natürlich alle auf, was aber zu einem einzigen Lichtfleck führt und man nichts erkennt. Der Trick ist nun einige der Moleküle wieder auszuknipsen und somit die Intensität der noch übrig gebliebenen Moleküle zu senken und somit die Auflösung zu erhöhen. Erreicht wird dies durch einen zweiten, doghnut-förmigen Laser, sprich einem Laser, der ringförmig strahlt und die in der Mitte des Lasers befindlichen Moleküle unberührt, sprich angeknipst lässt. Ein geniales Prinzip.

Dank Wissenschaftlern wie den zuvor genannten und vielen anderen, die Ihre Zeit in die Verbesserung der sogenannten Nanoskopie steckten, erlebte die Grundlagenforschung einen enormen Aufwind. Da Stillstand Wissenschaftlern fremd ist, ging auch die Entwicklung der Nanoskopie weiter. Mit dem MINFLUX getauften System, an dem ebenfalls Prof. Hell beteiligt ist, geht die Reise weiter in die Tiefen des Mikrokosmos, nun auf unfassbare 2.1 nm bzw. 1.2 nm Auflösung.

Blindheit – ein weiterer Schritt zur möglichen Therapie

Der Verlust des Sehsinns ist für viele eine Horrorvorstellung. So auch für mich. Keinen meiner 5 Sinne würde ich gerne verlieren wollen, aber am wenigsten meine Fähigkeit zu sehen. Dabei hat Blindheit viele Ursachen, so auch die erblich bedingte oder durch spontane Mutationen ausgelöste Retinopathia pigmentosa, einem Überbegriff für eine Vielzahl an degenerativen Erkrankungen des Auges. Dabei degenerieren die für das Sehen essentiellen Photorezeptoren in der Netzhaut und der Patient erblindet mit der Zeit. Betroffen sind in Deutschland ca. 40000 Menschen.

Wissenschaftlern um Professor Juan Carlos Izpisua Belmonte vom Salk Institutes for Biological Studies, San Diego ist es nun in einer Studie gelungen mit Hilfe der zu Recht gehypten genetischen Schere CRISPR/Cas9 den Sehverlust in jungen Ratten teilweise wiederherzustellen. Dabei konstruierten Sie einen speziellen Transfer-Virus, mit dessen Hilfe sie eine Kopie eines fehlenden Stücks des für den Sehverlusts in speziellen Laborraten verantwortlichen Gens Mertk in das Genom dieses Virus einbauten. Diese Viren wiederum wurden dann direkt in die Augen dieser Ratten injiziert, wo diese die Photorezeptoren infizierten und somit das fehlende Stück dieses Genoms einschleusten. Durch spezielle DNA-Reparaturmechanismen, die in Zellen tagtäglich ablaufen, wurden in ca. 5% der Zellen das fehlende Stück des Gens Mertk, wodurch sich die Sehfähigkeit dieser Ratten signifikant steigerte.

Beeindruckende Ergebnisse, aber nur ein weiterer von vielen Schritten hin zu einer vollständigen Wiederherstellung des Sehsinns in Patienten mit degenerativen Erkrankungen des Auges. Viele Probleme, wie z.B. die niedrige Effizienz und der anschließende Transfer dieser Technik auf den Menschen, müssen noch angegangen und gelöst werden, dennoch bin ich mir sicher, dass mit Hilfe des bakteriellen CRISPR/Cas9-Systems einige Krankheiten werden geheilt werden können.

Zur CRISPR/Cas9-Technologie bald mehr auf Scietopia.de

Was die beteiligten Wissenschaftler zu Ihrer Studie sagen, könnt ihr im folgenden Video selbst anhören.

Bild: Ausschnitt eines Mausgehirns. Zellkerne sind mit Antikörpern blau und genom-editierte Neuronen grün markiert.

Bildquelle: Salk Institute

Der neue Vogelgrippe-Virus. Grund zur Sorge?

​Aus aktuellem Anlass möchte ich hier grundlegendes zum neuen Vogelgrippe-Subtyp H5N8 vermitteln. 

Wie auf dieser Karte des Friedrich-Löffler-Instituts gut zu sehen ist (https://www.fli.de/fileadmin/FLI/Images/Tierseuchengeschehen/H5N8/2016/Map_AI_HPAI_2016-11-15_16-00.jpg)

mehren sich zwar die Fälle der an diesem Virus gestorbenen Vögel. Dennoch besteht kein Grund zur Panik. Zwar wird dieser Virus-Subtyp wohl auch ähnlich lange infektiös bleiben, wie der bekannte Subtyp H5N1 (>30 Tage bei 0 °C oder 6 Tage bei 37 °C), dennoch kann man sich sehr leicht vor einer Infektion schützen.

Grundsätzlich gilt:

1. Keine toten Wildvögel anfassen

2. Geflügel (auch wenn eine Durchseuchung unserer Lebensmittel sehr unwahrscheinlich ist) separat von anderen Lebensmitteln lagern und sehr gut durchbraten. 

3. Benutzte Küchenutensilien und die Hände mit mindestens warmem Wasser und Seife gründlich waschen. 

Influenzaviren sind und bleiben nun einmal ein Teil unseres Lebens, wie alle anderen Viren auch, doch kann mit diesen einfachen Maßnahmen und einer gesunden Portion Verstand eine Infektion, oder eine Epidemie, verhindert werden. 

Das Bild zeigt die Anfänge einer Infektion mit einem Influenza A-Virus. 

Bildquelle: http://www.cdc.gov/flu/images/influenza-virus-nolabels.jpg

Antiobiotikaresistenzen verständlich

​Ein Thema, welches mir als Infektionsbiologe sehr am Herzen liegt, weil unfassbar wichtig für die gesamte Menschheit:

Antibiotikaresistenzen. 

Darüber habe ich schon einige Male geschrieben, u.a. hier http://www.scietopia.de/?p=114, aber dieses englische Video mit dt. Untertiteln fasst die ganze Misere noch einmal visuell zusammen. 

Viel Spaß beim Schauen.
The Antibiotic Apocalypse

Social Bots oder wie Wahlen beeinflusst werden können

Diese Studie ist wirklich erschreckend. Eine aktuelle Studie (http://firstmonday.org/ojs/index.php/fm/article/view/7090/5653) von Wissenschaftlern um Alessandro Bessi und Emilio Ferrara des „Information Sciences Institute“ der University of Southern California konnte zeigen, dass einen Tag vor der heutigen US-Wahl 400000 sogenannte „Social Bots“ auf Twitter Beiträge posten und mit Usern debattieren. Diese „Bots“ sind nichts anderes als Computerprogramme, die automatisiert Antworten generieren und mit Hilfe von echt wirkenden Profilen verbreiten.

Schlimmer noch: diese Beiträge wurden mit der gleichen Häufigkeit re-tweetet, wie Tweets echter Profile, was ein Indiz dafür ist, dass diese „Bots“ kaum als solche wahrgenommen werden. Nahezu 20 % der Beiträge über die aktuelle US-Wahl stammten dadurch von derartigen „Bots“.
Nicht nur, dass diese Programme sehr zahlreich vertreten sind, so sind sie auch sehr einflussreich. Was wirklich bezeichnend ist, schaut man sich die Tragweite von Beiträgen in den „Social Media“ an. Ereignisse wie der „Arabische Frühling“ oder „Occupy Wall Street“ konnten sehr gut die Macht der online organisierten Massen aufzeigen.
Wer allerdings diese Bots programmiert, konnte nicht ermittelt werden, ist aber meiner Meinung nach sehr trivial.

Bildquelle: http://prn.fm/information-warfare-automated-propaganda-and-social-media-bots/

Wie Multi-Resistente Staphylococcus aureus-Zellen (die berühmt-berüchtigten MRSA) ein Antibiotikum austricksen

 

Ich benutze picsart_10-25-08-07-39das Adjektiv „faszinierend“ für meine Beiträge sehr häufig, doch passender können die Ergebnisse, welche Wissenschaftler weltweit zu Tage fördern, einfach nicht beschrieben werden.

Forscher des Imperial College London um Dr. Andrew Edwards konnten in einer gestern in Nature Microbiology veröffentlichten Studie zeigen, wie MRSA-Zellen der Wirkung eines der wirksamsten Reserveantibiotika entgehen können: dem Daptomycin.

Dieses Antibiotikum wird dann einsetzt, wenn kaum noch andere Wirkstoffe bei Haut- und Weichteil-Infektionen eine Wirkung zeigen. Und auch hier können in 20% der Fälle Resistenzen auftreten, was bei einem Erreger, der gegen immer mehr Antibiotika resistent wird, ein immens großes Problem darstellt. Das Daptomycin bindet u.a. an die Zellmembran (genauer an die Phospholipid-Doppelschicht im Inneren der Membran) der MRSA-Zellen, reichert sich dort an und bildet Poren, so dass wichtige Ionen aus der Zelle heraustreten und die Zelle somit geschädigt wird. Um diesem Schicksal zu entgehen, machen die Zellen etwas, was Piloten einer F22-Raptor (das oben dargestellte Kampfflugzeug) bei einer nahenden Rakete (analog zum Daptomycin) auch machen würden: sie lassen sogenannte „flares“ ab, das sind Täuschkörper, die die Raketen dann ablenken. Als Täuschkörpern werden dann aber Membran-Phospholipide abgesondert, die genau das Gleiche machen: nämlich das Daptomycin abfangen, da beide eine fettartige Struktur aufweisen und somit dem Tod entgehen. Es gibt noch zig andere sogenannte Immun-Evasions-Mechanismen, aber alle haben eines gemeinsam: sie sind einfach nur genial!

Bildquellen:

Links: F22-Raptor
Rechts: MRSA-Zelle, die Membran-Phospholipide absondert

Warum bestimmte Nahrungsmittel zu Migräne führen können. 

Und wieder faszinierende Ergebnisse zum Einfluss unserer bakteriellen Mitbewohner (des sogenannten humanen Mikrobioms) auf unsere Gesundheit. Erst kürzlich berichtete ich von einem sehr wahrscheinlichen Zusammenhang des intestinalen Mikrobioms (sprich der bakteriellen Bewohner unsere Darms) auf die Entstehung der multiplen Sklerose. Nun gibt es ähnliche Ergebnisse zur Entstehung der Migräne. Eine fürchterlich schmerzhafte Krankheit mit unbekanntem Ursprung. Millionen Menschen leiden dabei an immer wiederkehrenden, sehr schlimmen Schmerzen in der Schläfen- und Sitrnregion, Lichtempfindlichkeit, Übelkeit etc., wodurch ein normaler Tagesablauf nicht mehr möglich ist.

U.a. Entzündungsprozesse im Gehirn werden als möglicher Auslöser gehandelt und auch bestimmte Nahrungsmittel als sogenannte Trigger bzw. Auslöser einer Migräneattacke sind bekannt. All diese Nahrungsmittel haben eines gemeinsam: einen hohen Gehalt an Nitrat. 

Wie eine neue Veröffentlichung von Forschern der Universität California zeigen konnte (http://msystems.asm.org/content/1/5/e00105-16#DC1) besitzen für Migräne anfällige Patienten eine anders zusammengesetzte Mikroflora des Mundes. 

Nach der genetischen Analyse der sogenannten 16S rRNA von hunderten Speichel- und Stuhlproben konnten die Forscher einen klaren Unterschied in der Zusammensetzung des jeweiligen Mikrobioms feststellen. Nitrat-reduzierende, sprich verstoffwechselnde, Bakterienarten der Gattungen Streptococcus und Pseudomonas waren gehäuft in den Proben von Migränepatienten anzutreffen. Ein klarer Hinweis auf folgenden Zusammenhang:

metabolisieren, also verstoffwechseln, diese Bakterienarten das oral zugeführte Nitrat zu Nitrit, wird dieses wiederum zu Stickstoffmonoxid umgesetzt, was wiederum zu Gefäßerweiterungen (Vasodilatation) führen kann und dies schlußendlich zu den gefürchteten Migräneattacken. 

Wenn sich dieser Zusammenhang tatsächlich als ein Auslöser der Migräne herausstellt, könnte man mit probiotischen Ansätzen versuchen diese Bakterienarten durch nicht nitrat-umsetzende Arten zu ersätzen und die Migräneattacken verhindern. 

Sehr spannend und dieser Ansatz wird auf jeden Fall weiter verfolgt werden. Updates folgen, sollten sich hier spannende Neuigkeiten ergeben.