WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Vor allem in Südafrika und Australien gibt es mächtige, zwei bis 3,4 Milliarden Jahre alte geologische Formationen aus Eisenoxid und Siliziumdioxid. Manche von diesen sogenannten gebänderten Eisenformationen (englisch: Banded Iron Formations, BIFs) enthalten viele Milliarden Tonnen Eisenoxid und haben eine Ausdehnung von 100.000 Quadratkilometern. Diese Eisenerze decken nicht nur einen Großteil des Weltbedarfs an Eisen, sondern sind auch von besonderem Interesse für die Wissenschaft. Die Wissenschaftler erhoffen sich von der Erforschung dieser Gesteinsformationen Aufschluss über die Entwicklung der Atmosphäre und des Klimas sowie der Evolution von Mikroorganismen in der frühen Erdgeschichte. Wie die Ablagerungen mit den auffälligen Bänderungen entstanden sind, ist bislang unbekannt. Doch die Geomikrobiologen vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften der Universität Tübingen Nicole R. Posth und Florian Hegler unter der Leitung von Prof. Andreas Kappler können jetzt der Entstehungsgeschichte ein wichtiges Puzzleteil hinzufügen. Sie haben erstmals eine plausible Erklärung gefunden, auf welche Weise Mikroorganismen an der Bildung der Eisenerze beteiligt waren und wie sie auch zur Ablagerung der immer im Wechsel mit dem Eisen auftretenden Siliziumdioxid-Schichten beigetragen haben.

Das Eisen im Urozean stammte aus heißen Quellen am Ozeanboden und war als reduziertes, zweiwertiges Eisen im Wasser gelöst. Der Großteil des Eisens in den heutigen BIFs liegt jedoch als oxidiertes, dreiwertiges Eisen vor. Die Forscher wissen deshalb, dass das zweiwertige Eisen zur Ablagerung oxidiert werden musste. Im klassischen Modell zur Entstehung der BIFs wurde angenommen, dass die Oxidation durch Sauerstoff geschah, den frühe einzellige Lebewesen, die Cyanobakterien, durch ihren Stoffwechsel als Abfallprodukt gebildet hatten. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass zu diesem frühen Zeitpunkt in der Erdgeschichte vermutlich nur sehr wenig oder sogar kein Sauerstoff vorhanden war. Es wurde auch bezweifelt, dass es damals überhaupt schon Cyanobakterien gab. Die Bildung der ältesten BIFs kann also nicht durch Sauerstoff geschehen sein. Denn die ältesten bekannten gebänderten Eisenerze stammen bereits aus dem Präkambrium, sie sind bis zu vier Milliarden Jahre alt - das Alter der Erde wird auf 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahre geschätzt.

Andreas Kappler und seine Arbeitsgruppe knüpften bei ihren Forschungen an eine Theorie an, die im Jahre 1969 zum ersten Mal veröffentlicht wurde: Danach sollten die Erze durch eisenoxidierende Bakterien entstanden sein, die zum Leben zwar Licht, aber keinen Sauerstoff benötigten. Allerdings wurden solche anaeroben phototrophen eisenoxidierenden Bakterien erst 1993 in der Natur entdeckt und konnten dann im Labor gezüchtet und untersucht werden. Mit Hilfe von Lichtenergie oxidieren sie zweiwertiges Eisen und setzen es zu dreiwertigem Eisen um - eben zu solchen rostigen Mineralen, wie sie in den BIFs enthalten sind. Die Tübinger Geomikrobiologen entdeckten nun, dass die Ausfällung von Eisen- und Silikatmaterialien in den BIFs natürlichen Temperaturschwankungen unterlag. Die Abhängigkeit von der Temperatur würde auch die bisher unerklärte alternierende Bänderung der Gesteinsformationen erklären: Die Eisenbakterien oxidieren zweiwertiges Eisen nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Wenn die Temperatur sinkt, werden weniger Eisenoxide gebildet. Im Gegenzug fällt in einer chemischen Reaktion das im Wasser gelöste Siliziumdioxid in Form von festem Silikat aus. Steigt die Temperatur erneut, werden die Eisenbakterien wieder aktiv und lagern die nächste Schicht Eisenminerale ab - und so weiter. Dadurch lässt sich die typische Wechsellagerung von Eisenoxid- und Silikatmineralien erklären.

Durch ihre Arbeiten können die Tübinger Wissenschaftler nicht nur erstmals erklären, wie Mikroorganismen an der Bildung der Bänderung der BIFs beteiligt sind. Die Forschungsergebnisse geben auch weitere Hinweise darauf, dass zu dieser frühen Zeit auf der Erde sauerstoffbildende Bakterien wie die Cyanobakterien nicht die wichtigste Rolle gespielt haben oder vielleicht noch gar nicht vorhanden waren. Damit hätte es auch noch keinen beziehungsweise nur wenig Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben. Stattdessen dominierten vor einigen Milliarden Jahren andere Mikroben wie die von den Tübingern untersuchten Eisenbakterien die Ozeane. (Quelle: idw)

Video: Die Quantenphysik

In einer Art molekularem Doppelspaltexperiment haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA erstmals an Elektronen nachgewiesen, dass diese gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen besitzen und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und hergeschaltet.

Vor hundert Jahren begann man den in der Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen. Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der 1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der Natur - Elektronen, Protonen etc. - sich unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab, welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft - Teilchen oder Welle - man gerade misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die Geschichte der Physik eingegangen.

Albert Einstein war diese Abhängigkeit der Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert, ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben.

Bestes Beispiel ist das Young’sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B. Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen nacheinander durch den offenen Young’schen Doppelspalt, erscheint auf der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es eines molekularen Doppelspaltexperiments.

Obwohl jedes Elektron einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man, durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem gegebenen Experiment beobachten kann - entweder Welle oder Teilchen, aber nicht beides zugleich. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen “Sowohl-als-auch” oder aber des teilchenartigen “Entweder-oder” in Bezug auf seine Lokalisierung.

In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer. Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von “Sowohl-als-auch” und “Entweder-oder” für alle Formen der Materie gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.

Beispiele dafür sind die Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen, d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde. In der Ausgabe [nature, 29. September 2005] berichten die Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen Doppelspaltexperimenten. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron - auch die hochlokalisierten inneren Elektronen - an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt diese Eigenschaft zu einer wellenartig streng gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten, genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.

Die Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe “Atomphysik” des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher Intensität und spektraler Auflösung liefern. Quelle: idw

Wenn sich jedes Elektron an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann, wie im vorletzten Absatz angeführt, dann hat das Folgen für unser Weltbild. Welche Folgen das sind, ist im Sachbuch mit dem Titel  Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen näher beschrieben.

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(idw). Die Eigendrehung der Elektronen - der “Spin” - liegt in der heutigen Elektronik noch brach. Könnte man ihn als Informationsträger nutzen, würde sich die Rechenleistung elektronischer Bauteile schlagartig vervielfachen. Bochumer Physikern ist es zusammen mit Kollegen aus Dortmund, St. Petersburg und Washington jetzt gelungen, den Elektronenspin auszurichten, zum kontrollierten “Torkeln” zu bringen und auszulesen. Mittels optischer Impulse konnten sie die Spins der Elektronen auch jederzeit beliebig neu ausrichten.
“Das ist der erste, wichtige Schritt zu einer Adressierung dieser ‘quanten bits’, die in künftigen Datenübertragungssystemen und Rechnern Einzug halten werden”, freut sich Prof. Dr. Andreas Wieck. Die Forscher berichten in NATURE Physics.

Komplexe Rechenoperationen auf kleinstem Raum

Die gesamte heutige Elektronik gründet sich auf elektrische Ladung: Wenn eine Speicherzelle (Bit) elektrische Ladung enthält, entspricht dies logisch “1″, ist keine Ladung enthalten, entspricht dies logisch “0″. Aber Elektronen enthalten nicht nur Ladung - sie drehen sich auch wie ein Kreisel um die eigene Achse und erzeugen so ein Magnetfeld, ähnlich dem der Erde. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds kann man dieses Kreiseln beschleunigen oder verlangsamen, den “Kreisel” zum Torkeln bringen und seine Achse in fast beliebige Winkel kippen. Wenn man diese vielfältigen Möglichkeiten als Informationsträger nutzt, kann man mit einem Elektron sehr viel mehr Information als nur “0″ und “1″ speichern. Darüber hinaus können benachbarte Elektronen, da sie wie zwei Pinwand-Magnete Kräfte aufeinander ausüben, in verschiedene Konfigurationen gebracht werden, was die Datenspeicherung und -verarbeitung noch komplexer gestalten kann. Solche so genannten Quantenbits (”qubits”) können schon in geringer Anzahl von nur einigen zig qubits anstelle einiger Millionen Bits sehr komplexe Rechenvorgänge ausführen.

Spins einsperren in Indium-Arsenid-Inseln

Natürlich ergibt ein einzelnes Elektron nur wenig messbare Wirkung. Dadurch sind Einzel-Elektronenmessungen nur mit höchstempfindlichen Instrumenten unter großen Schwierigkeiten durchführbar. Eine Spezialität des internationalen Forscherteams ist es daher, rund eine Million Elektronen in jeweils fast genau gleiche Indium-Arsenid-Inseln (”Quantendots”) einzusperren und ihre Wirkung zu addieren. Diese “ensemble”-Messungen ergeben um sechs Größenordnungen stärkere Signale, die einfach aufzuzeichnen und sehr robust sind. “Entgegen den Vorurteilen vieler internationaler Konkurrenten verhalten sich dabei alle beteiligten Elektronenspins genau gleich und die mikroskopischen Effekte können daher sehr einfach gemessen werden”, so Wieck.

Quantendots optisch schalten

In der in “NATURE” veröffentlichten Studie ist es nun gelungen, diese Elektronenspins nicht nur auszurichten, sondern auch optisch mit einem Laserpuls zu beliebigen Zeitpunkten in eine gewünschte Richtung zu drehen und diese Richtung mit einem weiteren Laserpuls auszulesen. Dies ist der erste wichtige Schritt, um qubits zu “adressieren” und zu beeinflussen. “Das Interessante ist dabei, dass diese Elektronen in Festkörper eingeschlossen sind, man also nicht wie z.B. bei der Quantenoptik aufwändige Höchstvakuumtechnik und allseitigen Lichteinschluss braucht, um sie dauerhaft in einem Bauelement halten zu können”, unterstreicht Prof. Wieck. Das Höchstvakuum wird nur einmal bei der Herstellung der Quantendots in Bochum benötigt, danach ist das Halbleitersystem gegen Lufteinfluss versiegelt, langlebig und zuverlässig wie alle heute schon verwendeten Transistoren und Speicherzellen.

Die Diagramme zeigen das “Torkeln” der Spins (Amplitude der Schwingung, nach oben aufgetragen) nach einem Ausrichtungs-Laserpuls in Abhängigkeit der Zeit. Eine Schwingungsperiode entspricht einem vollen “Torkel”-Umlauf. Wie zu erwarten, nimmt die Stärke (Amplitude) mit der Zeit bei allen roten Kurven ab. Nach 1,2 Nanosekunden (ns) wird ein Laser-Kontrollpuls eingestrahlt, der die Ausrichtung der Spins schlagartig verändert, was man an der Phase der blauen und schließlich grünen Kurve sehen kann: Sie ist genau in Gegenphase zur schwarzen unteren Kurve, die ohne Kontrollpuls aufgenommen wurde. Zusätzlich schaukelt sich dieses Torkeln in Gegenphase bei 2,4 ns auf, sodass das Signal dann besonders groß wird, was die Auslesung erheblich erleichtert.

Titelaufnahme

A. Greilich, Sophia E. Economou, S. Spatzek, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, T. L. Reinecke & M. Bayer: Ultrafast optical rotations of electron spins in quantum dots. In: NATURE Physics, 22.3.2009, DOI 10.1038/NPHYS1226

Wie entsteht Krebs?

Der Immunbotenstoff Interferon alpha erweckt schlafende Blutstammzellen im Knochenmark zur Aktivität und macht sie dadurch für die Wirkung vieler Medikamente angreifbar. Dies veröffentlichten Wissenschaftler aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum gemeinsam mit Kollegen aus Lausanne in der Zeitschrift Nature. Auch Tumorstammzellen, so vermuten die Forscher, lassen sich so zur Teilung anregen und damit für die Behandlung mit Krebsmedikamenten sensibilisieren.

Nach Verletzungen mit Blutverlust muss der Körper das lebensnotwendige Blutvolumen schnell wiederherstellen. Dafür sorgt eine bestimmte Gruppe von Stammzellen im Knochenmark. Diese Blutstammzellen verbringen ihr gesamtes Leben in einer Art Schlafzustand, aus dem sie erst durch Verletzung und Blutverlust zur Aktivität geweckt werden. Unverzüglich beginnen sie, sich zu teilen, bis der Verlust an Blutzellen wieder ausgeglichen ist. Dies zeigten kürzlich Wissenschaftler um Professor Andreas Trumpp aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum.

Der Dauerschlaf ist ein wichtiger Schutzmechanismus der Stammzellen: Erstens bewahren sie so ihr Erbgut vor Genveränderungen, die sich vor allem während einer Zellteilung ereignen. Darüber hinaus entgehen sie im Schlaf auch der Attacke vieler Zellgifte, die nur auf sich teilende Zellen wirken.

Bislang war unbekannt, welche Signalmoleküle die Stammzellen tatsächlich aus ihrem Schlummer wecken. Andreas Trumpp und Marieke Essers aus seinem Team veröffentlichten nun in der Zeitschrift Nature, dass Interferon alpha, ein Botenstoff des Immunsystems, wie ein Wecker auf Blutstammzellen wirkt. Die Wissenschaftler zeigten damit zum ersten Mal, dass Interferon alpha die Funktion von Stammzellen direkt beeinflussen kann.

Interferon alpha wird von Immunzellen ausgeschüttet, wenn der Organismus von Bakterien oder Viren bedroht wird. Die Wissenschaftler lösten die Interferonproduktion in Mäusen aus, indem sie ihnen eine Substanz verabreichten, die den Tieren eine Virusinfektion vorgaukelt. Daraufhin kam es zu einem starken Anstieg der Teilungsrate der Blutstammzellen. In Kontrolltieren dagegen, die das Interferonsignal nicht verarbeiten können, führte die Substanz nicht zum Aufwachen der Stammzellen.

Einen weiteren Beweis für die Wirkung des Interfon alpha erzielten die Forscher mit dem Medikament 5-Fluorouracil, einem Zellgift, das häufig bei Brust- und Darmkrebs eingesetzt wird: Schlafende Stammzellen sind resistent gegen das Medikament, das seine Wirkung nur während der Teilung entfaltet. Erhalten die Tiere jedoch vor der 5-Fluorouracil-Behandlung Interferon alpha, so versterben sie nach kurzer Zeit an Blutarmut. Der Grund dafür: Durch die Interferon-Vorbehandlung wurden die ruhenden Stammzellen in die Zellteilung gezwungen und damit für die 5-FU-Wirkung sensibilisiert und abgetötet. Daher stehen nach kurzer Zeit keine Stammzellen mehr zur Verfügung, die Nachschub an kurzlebigen reifen Blutzellen wie Erythrozyten und Blutplättchen liefern.

Die Forscher begeistert an diesem Ergebnis besonders die Aussicht, dass der neu entdeckte Wirkmechanismus möglicherweise die Krebsbehandlung verbessern kann: “Eventuell können wir mit Interferon alpha nicht nur Blutstammzellen, sondern ebenso Tumorstammzellen aus dem Schlafzustand wecken und damit ihre oft beobachtete Resistenz gegen viele Krebsmedikamente brechen”, vermutet Andreas Trumpp.

Eine klinische Beobachtung weist bereits darauf hin, dass diese Vermutung mehr ist als reines Wunschdenken: Patienten, die an dem Blutkrebs chronisch myeloische Leukämie leiden und mit dem Medikament Glivec behandelt werden, erleiden nach Absetzen des Medikaments fast immer Rückfälle. Einigen Erkrankten wurde jedoch vor der Glivec-Therapie Interferon alpha verabreicht. Diese Patienten erlebten überraschenderweise lange rückfallfreie Phasen ohne jegliche Medikation. “Wir gehen davon aus”, erklärt Andreas Trumpp, “dass die Leukämie-Stammzellen durch die Interferongabe geweckt und damit für die Eliminierung durch das Medikament Glivec sensibilisiert wurden.” (Quelle: idw)

Video: Ausschnitt aus einer Patientendokumentation zur Stammzellentherapie. Aufgenommen im XCell-Center.

Ethisch unproblematischer Weg zu individueller Zelltherapie - Veröffentlichung in “Nature”

Stammzellen aus Embryonen können sich noch in alle Gewebe eines Lebewesens zur Bildung von Herz, Leber, Blut, Gehirn und Haut differenzieren - schließlich entsteht der ganze Organismus aus einer befruchteten Eizelle. Will man die aus dem Embryo gewonnenen Stammzellen vom Menschen in der Forschung oder zur Entwicklung von medizinischen Therapien nutzen, stellen sich viele ethische Probleme. Denn bei der Gewinnung der Stammzellen stirbt der Embryo ab. Wissenschaftler suchen daher nach anderen Alternativen zur Herstellung von Stammzellen: Auch im Körper von Erwachsenen bleiben lange oder sogar lebenslang hochflexible Zellen erhalten, damit sich bestimmte Gewebe auch in höherem Alter erneuern können. Solche Zellen, die man ohne größere Verletzungen aus dem Körper von Erwachsenen gewinnen kann, wollen Wissenschaftler als sogenannte adulte Stammzellen nutzbar machen. Nun ist es Forschern der Universität und des Universitätsklinikums Tübingen unter der Leitung von Prof. Thomas Skutella und seinem Team der Abteilung für experimentelle Embryologie gelungen, stabile Stammzellen aus Spermatogonien des menschlichen Hodengewebes von Erwachsenen zu generieren und in Zusammenarbeit mit Prof. Arnulf Stenzl und einer ganzen Reihe von Wissenschaftlern der Universität Tübingen und mit Kölner und Londoner Forschern im Vergleich zu humanen embryonalen Stammzellen zu charakterisieren. Die menschlichen adulten Stammzellen verhielten sich in Tests fast genauso wie die embryonalen Stammzellen und ließen sich in alle drei Keimblätter der Körpergewebe differenzieren. Nach Einschätzung der Wissenschaftler eröffnet ihre Methode der Gewinnung von adulten Stammzellen in Zukunft eventuell einen einfachen und ethisch unumstrittenen Weg zu individuellen Zelltherapien.

Die Zellen aus dem Hodengewebe, an denen die Wissenschaftler geforscht haben, wurden durch eine routinemäßige Gewebeentnahme bei erwachsenen Männern gewonnen. Diese Zellen stellen unter normalen Bedingungen Spermatozyten, und später die Spermien her. Die Wissenschaftler haben das Gewebe einer besonderen Selektionsmethode unterzogen, um die flexiblen, spermienbildenden Zellen gezielt aus dem restlichen Körpergewebe zu isolieren. Dann entwickelten sie optimale Kulturbedingungen, unter denen die Zellen nicht ihr gewohntes Programm zur Bildung von Spermien durchlaufen, sondern eine weit größere Umprogrammierung vornehmen. Außerdem musste sichergestellt werden, dass sich die Zellen mit den wertvollen Stammzelleigenschaften gut vermehren und stabile Zellkulturen bilden konnten. Dabei muss zum Beispiel erprobt werden, welche Wachstumsfaktoren in welcher Menge benötigt werden.

Unter den Versuchsbedingungen im Labor erwiesen sich die aus Hodengewebe gewonnenen adulten Stammzellen als fast genauso vielseitig wie embryonale Stammzellen und konnten ganz unterschiedliche Zell- und Gewebetypen bilden. Getestet wurde die Methode an insgesamt 22 Hodengewebeproben von verschiedenen Männern. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die einzelnen Schritte ihrer Vorgehensweise weiter optimieren lassen. Doch der Aufwand könnte sich lohnen, denn die adulten menschlichen Stammzellen haben gegenüber den embryonalen Stammzellen einige bestechende Vorteile: Zum einen sind sie wegen ihrer unkomplizierten Gewinnung ethisch nicht umstritten. Zum anderen könnte man sie für die Behandlung von Krankheiten für jeden Patienten individuell mit dem eigenen Erbgut und hundertprozentig passenden Gewebemerkmalen herstellen. Dadurch werden sie vom Immunsystem nicht abgestoßen. Eine ähnliche pluripotente Stammzellquelle ist bei Frauen bisher nicht entdeckt worden. Bis Stammzellen tatsächlich zur Therapie von Erkrankungen eingesetzt werden können, ist es noch ein weiter Weg. Doch ein wichtiger Schritt dorthin könnte mit den neuen Forschungsergebnissen erreicht sein.

Quelle: idw/Veröffentlichung: Conrad et al., “Generation of pluripotent stem cells from adult human testis”, Nature, Online-Vorabveröffentlichung

Abbildung: Wie eine Erbsenschote - metallorganische Moleküle eingesperrt in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. M. Ashino, Universität Hamburg
(idw). Wie die renommierte britische Fachzeitschrift “Nature Nanotechnology” in ihrer Online-Ausgabe vom 25. Mai 2008 berichtet, gelang es Forschern von der Universität Hamburg mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops die Bewegung von Molekülen, die in anderen größeren Molekülen eingesperrt sind, zu messen und zu kontrollieren. Diese herausragenden Forschungsergebnisse eröffnen völlig neuartige Wege für die Entwicklung von nanomechanischen Geräten, wie zum Beispiel molekulare Nano-Transporter.
Seit der Mensch den ersten Blick in den Nanokosmos warf, stand die Idee im Raum, diese winzige Welt der Atome und Moleküle gezielt zu manipulieren und molekulare Maschinen zu entwickeln, die selbständig beliebige Materialien und komplexe Systeme aus einzelnen Atomen und Molekülen aufbauen können. Immer wieder liest man von medizinischen Zukunftsvisionen, wie z. B. von Nano-Robotern, die durch den Blutkreislauf patrouillieren und gefährliche Viren aufspüren und bekämpfen. Den Nanokosmos können die Wissenschaftler inzwischen zwar mit aufwendigen Verfahren und großen Geräten gezielt Atom für Atom kontrollieren, aber molekulare Nano-Maschinen sind noch immer im Bereich der Science-Fiction angesiedelt. Nichtsdestotrotz wird an verschiedenen Antriebssystemen für solche Nano-Maschinen intensiv geforscht.Einen völlig neuen Ansatz eröffnen die Arbeiten der beiden Forscher Dr. Makoto Ashino und Prof. Dr. Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg, die in dieser Woche von der Fachzeitschrift “Nature Nanotechnology” veröffentlicht wurden. Zusammen mit einem internationalen Team aus Wissenschaftlern vom Max Planck Institut für Festkörperforschung, der Technischen Universität von Eindhoven, der Universität Nottingham und der Universität Hong Kong fanden die Hamburger Forscher neue Möglichkeiten der Messung der Kräfte, die Moleküle innerhalb von anderen Molekülen bewegen.

Für ihre Experimente sperrten die Forscher metallorganische Moleküle in Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein. Die dabei entstehende Struktur kann man sich wie eine Erbsenschote vorstellen (Abb. 1). Die so vorbereiteten Moleküle innerhalb von Nanoröhrchen wurden auf einer isolierenden Oberfläche platziert und mit Hilfe der berührungslosen Rasterkraftmikroskopie untersucht.

Ein Rasterkraftmikroskop arbeitet nicht mit Licht, wie ein herkömmliches Lichtmikroskop, sondern es funktioniert ähnlich wie ein Plattenspieler. An einem mikroskopisch kleinen Federbalken befindet sich eine atomar scharfe Spitze, die über eine Oberfläche gerastert wird. Die Auslenkung des Federbalkens wird mit Hilfe eines Laserstrahls bestimmt und aus den daraus resultierenden Daten am Computer eine dreidimensionale Abbildung der Oberfläche erzeugt. Im berührungslosen Modus eines Rasterkraftmikroskops schwingt der Federbalken über der Oberfläche, ohne dass die Spitze diese berührt.

Neben der Untersuchung der Oberflächentopographie der “Erbsenschote” ermittelten die Wissenschaftler auch gleichzeitig die Energie, die der vibrierenden Spitze des Rasterkraftmikroskops verloren ging, während sie über die Oberfläche der Struktur bewegt wurde. Dadurch konnten die Hamburger Wissenschaftler erstmalig die Kräfte, die die kleinen metallorganischen Moleküle innerhalb der Kohlenstoff-Nanoröhrchen bewegen, messen und sogar gezielt kontrollieren. Dies stellt einen entscheidenden Durchbruch in der Erforschung von molekularen Maschinen und molekularen Transportern dar, die für die weitere Entwicklung der Nanotechnologie eine hohe Bedeutung haben.

Weitere Informationen:

http://www.nanoscience.de