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Kurznachrichten Juli 2015

Überraschung im Zellskelett urtümlicher Bakterien

Alle Zellen, die einfachster Organismen ebenso wie die des Menschen, brauchen das Protein Aktin, um ihre Form zu behalten. Die Aktin-Moleküle verbinden sich zu langgestreckten Filamenten, die das Zellgerüst bilden und für Stabilität sorgen. Während bisher bekannte Aktin-Filamente stets doppelsträngig waren, hat ein Wissenschaftler-Team mit Jülicher Beteiligung nun bei einem Archae-Bakterium erstmals Aktin-Filamente entdeckt, die als Einzelstrang vorliegen und trotzdem überaus stabil sind. Forscher der University of Virginia setzten dabei die Cryo-Elektronenmikroskopie ein, um detaillierte Bilder der Filamente zu gewinnen. Die Jülicher Forscher Tatjana Braun und Jun.-Prof. Gunnar Schröder aus der Forschungsgruppe Computational Structural Biology trugen mit computergestützten Modellierungsverfahren zur Analyse bei. Die Forschungsgruppe ist am Jülicher Institute of Complex Systems, Bereich Strukturbiochemie (ICS-6), angesiedelt.

Archae-Bakterien gelten als eigenständige Domäne des Lebens und existieren oft unter extremen Bedingungen. Das von den Forschern untersuchte stäbchenförmige Archae-Bakterium Pyrobaculum calidifontis etwa lebt in heißen Quellen bei Temperaturen um 90 Grad Celsius. Dass einzelne Aktin-Stränge unter diesen Bedingungen ihre Stabilität erhalten könnten, erschien als besonders unwahrscheinlich. Strukturell ähneln die Aktin-Filamente des Archae-Bakteriums zudem denjenigen, die man bei Mehrzellern vorfindet. Die Ähnlichkeit ist überraschenderweise größer als zwischen den Filamenten von Mehrzellern und jenem der evolutionsgeschichtlich jüngeren Bakterien.

Ob das "moderne" Aktin der höheren Lebewesen von dem der Archaen abstammt, oder beide einen unbekannten gemeinsamen Vorfahren haben, ist allerdings noch nicht klar. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin PNAS veröffentlicht.

Tatjana Braun et al: Archaeal actin from a hyperthermophile forms a single-stranded filament. PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1509069112.

Institute of Complex Systems, Bereich Strukturbiochemie (ICS-6)

Komplexe Hirnsignale entschlüsseln

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Schweizer Hochschule EPFL in Lausanne haben eine neue Methode für die Analyse von Hirnsignalen vorgestellt. Mithilfe des Verfahrens können Forscher neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich Nervenzellen im Gehirn zu Netzwerken von hunderten bis tausenden Neuronen zusammenschalten. Die Verarbeitung von Reizen in neuronalen Netzwerken bildet die Grundlage für höhere Hirnfunktionen wie Sehen, Rechnen oder Sprechen und gilt als Schlüssel, um diese auf direkt beobachtbare biologische Abläufe im Gehirn zurückzuführen.

Mithilfe fein unterteilter Multielektrodenarrays ist es seit einigen Jahren möglich, tausende Nervenzellen zu "belauschen" und die Hirnsignale aufzuzeichnen. Die Elektroden erfassen elektrische Impulse, die immer dann freigesetzt werden, wenn ein Neuron feuert. Doch die aufgezeichneten Hirnsignale lassen bislang kaum Rückschlüsse auf die zugrundeliegende anatomische Struktur zu: Welche Nervenzellen feuern koordiniert im Verbund, und welche werden nur zufällig gleichzeitig aktiviert? Diese Fragen lassen sich mit einfachen Analysemethoden, die lediglich nach Korrelationen fahnden, kaum beantworten. Die rekonstruierten Netzwerke werden daher häufig auch als "funktionale Netzwerke" bezeichnet.

In den vergangenen Jahren ist es Forschern mit fortgeschrittenen statistischen Auswertungsverfahren dennoch gelungen, die anatomisch korrekte Verschaltung der Nervenzellen aus den Signalen herauszulesen. Aber die Methode, die auf sogenannten Generalisierten Linearen Modellen aufbaut, ist sehr rechenintensiv. Deshalb lassen sich nur neuronale Schaltkreise aus wenigen Dutzend Neuronen auf diese Weise nachbilden, ohne dass der Rechenaufwand übermäßig steigt. Das neue Schätzverfahren, das Forscherinnen und Forscher des Simulation Laboratory Neuroscience am Forschungszentrum Jülich entwickelt haben, ist dagegen deutlich weniger rechenintensiv. Damit lässt sich erstmals auch der Aufbau sehr komplexer neuronaler Netzwerke nachvollziehen, die aus tausend und mehr Zellen bestehen.

Der Ansatz beruht auf der sogenannten Maximum-Likelihood-Methode, die ein Ergebnis liefert, für das die Verteilung der beobachteten Daten am plausibelsten erscheint. Die Genauigkeit liegt bei Idealbedingungen bei über 99 Prozent, wie die Jülicher Forscher mittels Computersimulationen zeigen konnten. Für die Berechnungen werden Supercomputer benötigt, auf die Hirnforscher etwa über den europäischen Supercomputing-Verbund PRACE oder das Human Brain Project zugreifen können. Die detaillierten Ergebnisse sind im Fachmagazin Journal of Computational Neuroscience nachzulesen.

Originalveröffentlichung:
Yury V. Zaytsev, Abigail Morrison, Moritz Deger: Reconstruction of recurrent synaptic connectivity of thousands of neurons from simulated spiking activity. Journal of Computational Neuroscience (published online 04 June 2015), DOI: 10.1007/s10827-015-0565-5.
Abstract: http://link.springer.com/article/10.1007/s10827-015-0565-5# (Open Access)

Simulation Laboratory Neuroscience am Jülich Supercomputing Centre (JSC)

Anderes Metall, gleiche Bindung

Für manche Athleten zählt nur Gold. Auch im Kurswert bestehen große Unterschiede zwischen Gold und Silber sowie Kupfer, das als drittes Edelmetall die Gruppe der sogenannten Münzmetalle komplettiert. Ganz anders verhalten sie sich dagegen in der Interaktion mit organischen Molekülen. Denn für diese scheinen die verschiedenen Münzmetalle alle gleich attraktiv zu sein, wie Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit Forschern des Berliner Fritz Haber Instituts und der Universität Heidelberg zeigen konnten.

Demnach bindet Benzol exakt gleich stark an die drei Münzmetalle, trotz ihrer unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Die Wissenschaftler hatten die Bindungsstärke mit Modellsystemen aus Benzol und dem jeweiligen Edelmetall mit neuer Präzision vermessen. Für ihre Experimente nutzten sie stehende Röntgenwellen und das Verfahren der sogenannten Temperatur-programmierten Desorption, bei der angelagerte Stoffe im Vakuum von einer Oberfläche abgedampft werden. Das Ergebnis könnte darauf hindeuten, dass die Bindungsenergie, mit der sich aromatische Moleküle wie Benzol an Oberflächen anlagern, einer universellen Gesetzmäßigkeit folgt, wie die Forscher vermuten.

Verbindungen von organischen, also auf Kohlenstoff basierenden Molekülen mit anorganischen Festkörpern sind für vielfältige Anwendungen bedeutsam. Derartige Hybride werden unter anderem als Katalysator zur Beschleunigung chemischer Reaktionen und zum Bau von molekularen Sensoren, organischen Leuchtdioden und Solarzellen eingesetzt. Weitere Details sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters nachzulesen.

Originalveröffentlichung:
Wei Liu, Friedrich Maaß, Martin Willenbockel, Christopher Bronner, Michael Schulze, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz, Petra Tegeder, and Alexandre Tkatchenko: Quantitative Prediction of Molecular Adsorption: Structure and Binding of Benzene on Coinage Metals.
Physical Review Letters 115, 036104

Peter Grünberg Institut, Bereich Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)

Leistungsstarkes Hybridsystem im Test

Start frei für SILENT-F: Im Juli begannen die umfangreichen Betriebstests des gleichnamigen Mobilitätsprojekts von Forschungszentrum Jülich und Fachhochschule Aachen (Campus Jülich), bei dem ein Leichtbaufahrzeug mit einem Hybridsystem aus Elektromotor und Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) betrieben wird. Damit wird ein weiterer Schritt in Richtung alltagstaugliches Elektrofahrzeug getan. Bisher begrenzen unter anderem die geringe Reichweite sowie lange Ladezeiten den Erfolg von Elektroautos. Zu den ersten "Testbeifahrern" auf dem Jülicher Campus gehörten zu Beginn der Sommerferien Schülerinnen und Schüler eines Brennstoffzellen-Praktikums des Schülerlabors JuLab.

Bereits im Juni hatten die Projektpartner einen wichtigen Meilenstein erreicht: Sie koppelten ein handelsübliches Elektrofahrzeug erfolgreich mit einer am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung entwickelten DMFC. Die Brennstoffzelle versorgt nun das E-Mobil mit zusätzlichem elektrischem Strom, sodass es deutlich länger fahrbereit ist und nicht so häufig an der Steckdose auftanken muss.

Die Betriebstests mithilfe von standardisierten Fahrzyklen („Neuer Europäischer Fahrzyklus“, NEFZ) dienen dazu, wichtige Parameter der DMFC zu kontrollieren und auf den Fahrbetrieb abzustimmen. Die Projektpartner gewinnen daraus Informationen über die maximale Betriebsdauer und die Alltagstauglichkeit des Fahrzeugs.

Weitere Informationen zum Projekt SILENT-F

Peter Grünberg Institut, Bereich Streumethoden (PGI-4 / JCNS-2)

Schülerlabor JuLab

Mediathek

effzett: Energy to go

Ob Smartphone, Akkuschrauber oder Elektroauto – die mobile Welt steht und fällt mit dem Lithium-Ionen-Akku. Doch Jülicher Forscher verfolgen auch andere Ansätze, um "energy to go" verfügbar zu machen. Wie sie an den Batterien der Zukunft feilen und was der Superakku von morgen alles können muss, ist Schwerpunktthema des aktuellen effzett-Magazins.

In weiteren Beiträgen gehen Forscher als "Nukleardetektive" auf die Suche nach Staaten, die heimlich nukleares Material für Atomwaffen herstellen. Oder lassen die Jülicher Supercomputer über zwei Jahre rechnen, um den winzigen Masseunterschied zwischen Protonen und Neutronen zu bestimmen.

Das Magazin erscheint in einer digitalen Version für Android-Tablets und iPads sowie als gedrucktes Heft auf Deutsch und Englisch. Die Druckfassung steht als ePaper und als PDF-Dokument im Netz.

Die englische Version der aktuellen Ausgabe erscheint in Kürze.

Mehr Informationen

Aktuelle Termine

Auf Seite http://www.fz-juelich.de/termine finden Sie aktuelle Konferenzen und Veranstaltungen im und mit dem Forschungs­zentrum Jülich, unter anderem:

Falling Walls Lab in Jülich

21. August, Zentralbibliothek
Am 8. und 9. November findet in Berlin zum siebten Mal die Falling Walls Conference statt. Weltweit führende Innovatoren aus verschiedenen Bereichen der Gesellschaft – Wissenschaft, Kunst, Politik, Unternehmen – werden ihre Projekte und Initiativen vorstellen und Lösungen für globale Herausforderungen aufzeigen. Am 21. August findet ein Vorentscheid für Nachwuchsforscherinnen und -forscher in Jülich statt – ein Falling Walls Lab. Der beste Vortragende des Falling Walls Lab Jülich qualifiziert sich für das Finale am 9. November in Berlin. Interessierte können sich bis Montag, 10. August, anmelden.

Mehr Informationen zum Falling Walls Lab und Anmeldung

Pressekontakt: Erhard Zeiss, Tel. 02461 61-1841, e.zeiss@fz-juelich.de


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