KNS006 – Nacktmulle an die Macht

KonScience

German - July 09, 2013 20:15 - 1 hour - 56 MB
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Marielle und Katrin stellen heute Forschungsnachrichten aus den Themengebieten Bakterienbekämpfung, Krebsvorsorge, Erinnerungsleistung und Gehirnwellen, Lithium-Schwefel-Batterien, Genomsequenzierung von Pferden, Leber-Organoiden nebst weiteren Meldungen vor.

Katrin stellt das Buch "Letters to a Young Scientists" von E.O. Wilson vor und gemeinsam leiten wir daraus ein paar Ratschläge für Studienwahl und wissenschaftliche Karriere ab. Hoffentlich könnt ihr daraus was für euch ableiten.

Unstrukturiertes Gelaber gibt es auch wieder: zu E-Zahnbürsten, Spam-Bots und den Podcasts, die wir so hören (Linkliste in den Kommentaren zur Sendung).

Natürlich lösen wir auch das Kuriosum und die Hausaufgabe aus KNS005 auf. Finger hoch, wer's richtig hatte!

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Unstrukturiertes Gelaber gibt es auch wieder: zu E-Zahnbürsten, Spam-Bots und den Podcasts, die wir so hören (Linkliste in den Kommentaren zur Sendung).

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Sendungsnotizen

Wissenschaftsnachrichten
Die Schwäche der Bakterien

Silber wurden seine antimikrobiellen Wirkungen schon von Hippokrates zugeschrieben (ca 400 BC) – nun kennen wir den Mechanismus
Das könnte eventuell auch dem Problem mit der wachsenden Zahl an Resistenzen Herr werden
Gelöste Silberionen sind auf zwei Weisen für Bakterien gefährlich:

sie machen die Zellmembran permeabler und
stören den Metabolismus der Zelle, es kommt zur vermehrten Produktion reaktiver Sauerstoff-Moleküle

Vor allem letzterer Mechanismus ist auch die vermutete Wirkweise vieler Antibiotika

Silber könnte die Wirkung verzehn- bis vertausendfachen
gesteigerte Durchlässigkeit der Membran erlaubt Antibiotika, besser in die Zellen einzudringen

Test an einem gram-negativen Bakterium mit dem Antibiotikum Vancomycin war erfolgreich
Das Problem: Silber kann auch für uns gefährlich sein!

1990er: teil-versilberte Herzklappen -> Infektionen wurden erfolgreich verhindert, aber auch das Herzgewebe wurde angegriffen
Wenn man zu viel Silber verspeist, kann man Argyrie bekommen: Eine permanente Verfärbung der Haut ins Schiefergrau

Welche Konzentrationen sind sicher? Welche Konditionen des Silbers sind für den Effekt verantwortlich? Und wie sieht es mit der Umweltverträglichkeit aus?
Morones-Ramirez, J., Winkler, J. A., Spina, C. S. & Collins, J. J. Sci. Transl. Med. (2013).

Erinnerung an Begriffe ist sicherer, wenn Bildinformation mit abgerufen werden können

Publikation: Staudigl T, Hanslmayr S (2013) Theta Oscillations at Encoding Mediate the Context-Dependent Nature of Human Episodic Memory. Current Biology 23: 1101–1106.
Wörter wurden vor Videohintergrund eingeblendet

Erinnerung getestet durch Anzeigen der Wörte, aber teilweise vor anderem Videohintergrund
gleiche Videos => bis zu 10% bessere Erinnerung (“Kontexteffekt”)
Vorhersagbarkeit durch Kenntnis der Gehirnwellen

2-Schienen-Strategie: Lerneffekt zeigen und physiologische Grundlagen messen

Magnetoenzephalographie: Ionenfluss in Nervenzellen erzeugte schwache elektro-magnetische Felder

Vergleich: Elektroenzephalografie = Messung der elektrischen Felder im Gehirn; Positronen-Emissions-Tomographie = Detektion von zerfallenden Positronen aus einer radioaktiv markierten Substanz; Magnetresonanztomographie = Messung unterschiedlicher Reaktionszeiten und Konzentration der Wasserstoffkerne in Geweben

episodisches Gedächtnis: selbst-Erlebtes (semantisches Gedächtnis: Faktenwissen)

Erinnerung ist bekannterweise Kontext-sensitiv => offenbar Verküpfung während des Abspeicherns
Vorhersage der Erinnerungsleistung aufgrund der Theta- & Gamma-Wellenmuster

Kontext gleich: starke Theta-Wellen beim Abspeichern => gute Erinnerung (schlecht wenn Kontext verschieden)

Lerntip: Lernumfeld der Prüfungsituation anpassen

für Podcasts: Kapitelbilder einbinden! ;-)

Ausblick: Beeinflussung der Gedächtnisleistung durch Stimulation von Gehirnwellen.
Obligatorische Popkulturreferenz: Remember Me

Das Geheimnis der Nacktmulle

Nacktmulle sind speziell

unterirdische eusoziale Kolonien von 20-300 Tieren mit einer Königin

Nacktmulle sind resistent gegen Krebs!
Krebs wird normalerweise in Mäusen erforscht, und es gibt Mäuselinien, die besonders anfällig für Krebs (oder spezielle Typen davon) sind
Idee: Welche Nagetiere leben in freier Wildbahn sehr lange (d.h. sind wohl wenig anfällig für Krebs)? -> Nacktmulle leben Dekaden! Woher kommt ihre Resistenz?
Was im Labor auffiel: in Kultur wuchsen die Nacktmull-Zellen auffällig weit von einander entfernt, und der Kulturinhalt wurde schnell zäh
-> Hyaluronan! (Zellmatrix) Die Moleküle sind in Nacktmullen ~5-mal größer als in Mäusen, Ratten & Menschen

vermutlich, damit die Haut flexibel genug ist für das unterirdische Leben

Test: Infektion von Nacktmullzellen mit krebsauslösenden Virenproteinen

normale Nacktmullzellen: kein unkontrolliertes Wachstum
Nacktmullzellen mit zerstörter Matrix (Hemmung der Produktion, oder enzymatischer Abbau): Krebs!

Tian, Xiao, et al. “High-molecular-mass hyaluronan mediates the cancer resistance of the naked mole rat.” (2013)
HA-abbauenden Enzymen als Ziel für Krebsmedikamente im Menschen?

Alte Idee, neue Hoffnung: Lithium-Schwefel-Batterien

Die Schwächen von Lithium-Ionen-Batterien treten immer deutlicher zu Tage: teuer, geringe Kapazität
Eine alternative Idee stammt aus den 1960ern: Lithium-Schwefel-Batterien
Li-Ionen-Akkus: Li-Ionen werden zwischen den Polen hin- und her-transferiert
Das Ziel: ein Material finden, das eine größere Menge Lithium pro Volumen speichern kann: Erhöhung der Energie-Dichte
Schwefel kann genau das, ist dazu in Massen verfügbar und dadurch auch billig
Theoretisch könnte eine Batterie mit Lithium-Anode & Schwefel-Kathode eine 5-fache Energiedichte aufweisen im Vergleich zu heutigen Batterien (wo die Ionen in den Poren der Pole sitzen, aber chemisch nicht gebunden sind -> Kohlenstoff- & Metalloxid-Elektroden)
Das Problem mit Schwefel: es leitet Li-Ionen ziemlich schlecht, und über mehr als ein paar Dutzend Ladezyklen kam man nicht hinaus, da Li & S lösliche Verbindungen eingehen: Das Elektrolyt wird damit angereichert, und die Schwefel-Elektrode degradiert
Heute gibt es neue Ideen, das Problem zu minimieren:

Man muss die Polysulfide festhalten, zB mit Kohlefasern & Zuckerpolymeren,
man könnte die S-Elektrode in Titandioxid-Schalen verpacken (nach 1000 Ladezyklen noch 70% der Kapazität)
Oder das Problem ar nicht erst entstehen lassen: neue Schwefel-basierte Festsubstanzen, die LithiumIonen besser leiten als reiner Schwefel

Pferd! Ältestes Genom bisher sequenziert

Orlando L, Ginolhac A, Zhang G, Froese D, Albrechtsen A, et al. (2013) Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse. Nature advance online publication.
kaum ein halbes Jahr nach vorherigem Superlativ: Fichte mit größtem Genom, siehe KNS005

DNA aus 560-780 000 Jahre altem Pferdefossil (sogar zu alt für Radiokarbondatierung)
zuvor ältestes war nur 4 000 Jahre alt bzw. nur mitochondrial, 110-130 000 Jahre alte
Nebenbei: 43 000 Jahre altes Pferdegenom, heutiger Esel, 5 weitere domestizierte Pferde und ein wildes Przewalski-Pferd

Ergebnisse: heutige Pferde, Esel und Zebras haben 4-4,5 Millionen Jahre alten, gemeinsamen Vorfahren (doppelt so alt wie zuvor vermutet)

Przewalskis genetisch nicht mit anderen Pferden vermischt, also tatsächlich echt-wild, nicht wie Mustangs verwildert
genetisch stabile Population macht Schutzbemühungen um diesee ältesten & vom Austerben bedrohten Pferderasse sinnvoll
Domestizierung hinterließ Spuren im Genom: z.B. bei Geruchssinn, Immunsystem, Muskelentwicklung
Anstoß für Sequenzierungsversuche noch älterer DNA (theoretische Lebendsdauer in Trockenheit & Kälte: 1 Mio. Jahre)

Selbstorganisierte Leberknospen als Leberersatz

Transplantierte Leberknospen aus menschlichen Stammzellen übernehmen Leberfunktion in Mäusen (Sekretion leber-spezifischer Proteine, Produktion menschlicher Leber-Metabolite, eigenständige Anbindung an den Blutkreislauf)
Allerdings: Das Resultat ist noch sehr vorläufig, und die Langzeitentwicklung ist noch nicht bekannt
Wie es funktioniert:

Man nehme iPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen) aus menschlicher Haut, Endothelialzellen aus Nabelschnurblut, und mesenchymale Stammzellen
Im richtigen Verhältnis und idealen Bedingungen entstehen selbst-organisierte Leberknospen, die anschließend transplantiert wurde

Laser zur Bestimmung von Krankheiten des Blutes

die neue Technik beruht auf zwei Prinzipien:

Krankheiten wie Malaria verändern die Form roter Blutkörperchen
photoakustischer Effekt (entdeckt von Alexander Graham Bell in 1880, der eher für die Weiterentwicklung des Telefons (Antonio Meucci) bekannt ist)

Wenn ein Material gepulstes Licht (wie zB Laser) absorbiert, produziert es Schallwellen
heute bekannt: Absorption -> Erhitzung -> Ausdehnung -> Entstehung von Schall

mit heutigen Lasern (fs – ns Bereich) können sehr schnelle Pulse auf Zellen “geschossen” werden: hochfrequente Schallerzeugung (hohe Frequenzen = hoher Informationsgehalt über die Form des Objekts)
Experiment: rote Blutkörperchen, Laser mit einem Puls alle 760 ns -> Frequenzen von > 100 MHz, korrekte Bestimmung von gesunden, sichelzell-anaemischen und Malaria-infizierten (geschwollene) roten Blutkörperchen
benötigt nur 21 Erythrozyten, und ist um Stunden schneller als klassische Tests (1 Tropfen Blut, ein Objektträger, ein Mikroskop & ein erfahrener Mensch)
Problem:

Es funktioniert zwar supergut mit roten Blutkörperchen, die wegen ihrer Form besonders gut Licht absorbieren,
aber nicht so gut bei weißen Blutkörperchen & Thrombozyten
diese sind aber auch mit Krankheiten assoziiert: Leukämie, oder Gerinnungsstörungen
daher kann die Technik klassische Tests wohl nicht ersetzen

Jemand Anderes meint aber, die Technik sei deswegen nicht nutzlos: Sie müsste, in Kombination mit einem ultravioletten Laser, prima zur Bestimmung von flottierenden Krebszellen geeignet sein

Die Stimmgabel des Lebens

hypothetischer Fall: Ein Mensch wird mit akuter bakterieller Sepsis ins Krankenhaus angeliefert

klassische Methode: Seine Überlebenschancen stehen schlecht, da sie auf langwierigen Wachstumsversuchen in Anwesenheit von Antibiotika basiert
die neue Methode: mikroskopische Cantilever (vergleichbar mit Stimmgabeln), mit denen man innerhalb von Minuten ein wirksames Antibiotikum identifizieren kann
die Schwingung des Cantilever wird via Laser überwacht
Test mit E. coli und Ampicillin:

bei sensitiven E. coli verringerte sich die Schwingung innerhalb von 5 Minuten nach Ampicillin-Zugabe um das 20-fache
bei resistenten E. coli war eine leichte Abnahme der Schwingung zu beobachten, die nach 15 min aber den normalen Wert wieder erreichte (die Bakterien erholten sich)

die Methode wird vermutlich erst in 5-10 Jahren ausgereift sein, da noch viele Tests noch notwendig sind:

welche Wirkungsgrade werden bei unterschiedlichen Bakterien erzielt? Und bei welchen Antibiotika?
wie beeinflussen die Viskosität und Dichte des Mediums die Schwingungen des Cantilevers?
Problem hierbei: Tests mit hochpathogenen Bakterien sind notwendig, welche spezielle Labors & langwierige Genehmigungen voraussetzen

Verdauung tut (Chili-Samen) gut

Tiere sind die Gärtner der Wälder (seed dispersal etc.)
Durch das Verspeisen & Verdauen von Früchten werden Samen nicht immer schlechter:

mal abgesehen von durch Zibetkatzen verspeisten Kaffeefrüchten gibt es ein neues Beispiel:
die Samen einer Chili-Art in Südamerika, die von einer kleinen Tyrannen-Art (das ist ein Vogel nicht unähnlich hier heimischen Schnäppern) gefressen werden, haben eine 4-fach höhere Keimungswahrscheinlichkeit als unverdaute Samen

Auflösung des Kuriosums und der Hausaufgabe aus KNS005

Menschen evoluierten in Afrika, aber wo evoluierten Primaten?

Archicebus achilles, frühe Primatenart lebte vor ca. 55 Mio. Jahren in Ostasien!

Ökologisches-Nischen-Modell des Bigfoot passt zu welchem Tier?

Schwarzbär, Ursus americanus!

Buchbesprechung: “Letters To A Young Scientist” (Edward O. Wilson)

Koryphäe der Ameisenforschung (Taxonomie, Schwarmverhalten, Pheromone) uvm.
Autobiografie mit Fokus auf Motivation, Ablauf und Erkenntnisse der Forschung
Ratschlag zum Thema Technologien: entwickeln sich stets vom eigenen Forschungsfeld zur Standardaustattung. “[U]se but don’t love technology.“
Ratschlag für’s Isolieren aller Ameisen aus einem Nest: “It occurred to me that if we simply excavated fire ant nests and dumped them and the soil into nearby pools of water, the colony would rise to the surface and gather as an ant-pure raft while the dirt settled to the bottom.”
Zitate:

[I]t is certainly all right and potentially very productive just to mess around. Quick uncontrolled experiments […] are performed just to see if you can make something interesting happen. Disturb Nature and see if she reveals a secret.
The ideal scientist thinks like a poet and only later works like a bookkeeper. Keep in mind that innovators in both literature and science are basically dreamers and storytellers. In the early stages of the creation of both literature and science, everything in the mind is a story.

Berufsperspektiven in der Biologie (Antwort auf Kommentar vom Specht)

BioLAGO-Artikel: Bachelor in der Tasche – und dann? “Berufsmöglichkeiten im Bereich der Biologie sind facettenreich.”
Datenanalyst in Softwarefirmen
K: Studium generale!
E. O. Wilson:

[G]o where the least action is occurring.
[I]t is necessary not only to acquire a broad knowledge of the subject that interests you, but also the ability to spot blank spaces in that knowledge.
Envy and insecurity are among the drivers of scientific innovation. It won’t hurt if you have a dose of them also.
[S]uccessful research doesn’t depend on mathematical skill, or even the deep understanding of theory. It depends to a large degree on choosing an important problem and finding a way to solve it, even if imperfectly at first.

Laberecke

Welche Podcasts hören wir? (Antwort auf Kommentar von a20_gate)
Leseempfehlung Chronobiologie-Kommentar & Umfrage der TU München
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