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Publikationen 2013

Hier finden Sie eine Auswahl von 2013 veröffentlichten Forschungsergebnissen der Biologisch-Pharmazeutischen Fakultät.


Publikation

Abbildung

Bemerkungen

Sébastien Halary, Laurence Daubois, Yves Terrat, Sabrina Ellenberger, Johannes Wöstemeyer, Mohamed Hijri
Mating type gene homologues and putative sex pheromone-sensing pathway in arbuscular mycorrhizal fungi, a presumably asexual plant root symbiont.
PLOS ONE 2013, Volume 8, Issue 11, e80729; DOI: 10.1371/journal.pone.0080729


 PilzUTB

Abbildung: J. Wöstemeyer, Mikrobiologie, UTB

Mykorrhiza-Pilze leisten einen beeindruckenden Beitrag zum Wachstumserfolg der Landpflanzen. Insbesondere die arbuskulären Mykorrhiza-Pilze (AM-Pilze) haben erhebliche landwirtschaftliche und evolutionäre Bedeutung. Besonders an schwierigen Standorten sorgen diese Pilze für die Aufnahme von Phosphat und anderen Substanzen.
AM- Pilze gelten traditionsgenmäß als völlig asexuelle Wesen. In Kooperation mit der befreundeten Arbeitsgruppe um Mohamed Hijri in Quebec/Kanada haben wir im Genom solcher Pilze dennoch alle Gene gefunden, die man für sexuelle Reaktionen braucht. Dazu gehören neben den aus der Bäckerhefe bekannten Genen für die Partnererkennung sogar Gene für die Synthese von Sexual-Pheromonen inklusive der zugehörigen Transkriptionsfaktorgene, wie man sie von den Mucor-artigen Pilzen kennt.
Es wird sich lohnen, auf dieser Basis gezielt nach sexuellen Rekombinationsprozessen in dieser wichtigen Pilzgruppe zu suchen.

Pasquale Stano, Erica DAguanno, Jrgen Bolz, Alfred Fahr, and Pier Luigi Luisi
A Remarkable Self-Organization Process as the Origin of Primitive Functional Cells
Angewandte Chemie 2013, 52, 13397 -13400
DOI: http://dx.doi.org/10.1002/anie.201306613
 FahrAngewandteChemie2013

"Der kleine warme Teich": das war Darwins Idee vom Platz der eigentlichen Entstehung des Lebens - also der ersten Zelle. Dies bedeutet für den Chemiker erste chemische Reaktionen, die dem beginnenden Leben Energie einhauchen und auch für die Selbstreproduktion sorgen, beides Definitionen von Leben - und das eben auch in genügend hoher Konzentration, denn im Teich oder gar im Urozean würde sich alles sofort verdünnen und könnte dann nicht mehr reagieren. Dazu braucht es also noch mindestens eine dritte Lebensdefinition: Kompartimentierung, also Abgeschlossenheit gegenüber dem "Außen". Verschiedenste Theorien, wie denn diese Abgeschlossenheit erzeugt werden könnte, wurden zwar formuliert, aber experimentell begründet wurde nicht viel. In dieser Arbeit wird nun gezeigt, dass bei der Bildung von Liposomen eine Aufkonzentration der in Lösung (z.B. im kleinen warmen Teich) befindlichen Moleküle, die z.B. unseren Stoffwechsel ermöglichen, stattfindet.  Diese Arbeiten, die der renommierten Zeitschrift "Angewandte Chemie" ein "hot paper"-Status wert ist, sind ein Erfolg der langjährigen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der Universität Roma Tre und der FSU und könnten die Brücke sein zwischen den Evolutionsforschern aus dem Bereich der Chemie und der Biologie.

A. K. Stavrum, I. Heiland, S. Schuster, P. Puntervoll, M. Ziegler
Model of Tryptophan Metabolism, Readily Scalable Using Tissue-specific Gene Expression Data, The Journal of Biological Chemistry 2013, Vol. 288, Issue 48, 34555-34566,  (DOI: 10.1074/jbc.M113.474908)

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news564569
 
TryptophanKlein
Gemeinsam mit Forschern aus Norwegen wurde ein Computermodell entwickelt, mit dem sich simulieren lässt, was in unserem Körper abläuft, wenn wir die Aminosäure Tryptophan zu uns nehmen, die in Schokolade enthalten ist. In der aktuellen Ausgabe des Journal of Biological Chemistry stellt das Wissenschaftlerteam das bislang umfassendste Modell des komplexen Stoffwechsels von Tryptophan vor, die neben anderen Substanzen bei der Wirkung von Schokolade eine Rolle spielt.
Für ihr Modell des Tryptophan-Stoffwechsels im Menschen haben die Bioinformatiker sehr umfangreiche experimentelle Daten zum Ablauf der weit verzweigten Stoffwechselwege und der dazugehörenden Transportvorgänge zusammengetragen. Diese wurden anschließend in ein Gesamtmodell integriert, das es nun erstmals ermöglicht, detailliert die Wirkungen von Tryptophan und seiner Stoffwechselprodukte in einzelnen Geweben oder Organen realitätsnah zu simulieren.

Pande, S., Merker, H., Bohl, K., Reichelt, M., Schuster, S., de Figueiredo, L., Kaleta, C., Kost, C.
Fitness and stability of obligate cross-feeding interactions that emerge upon gene loss in bacteria. The ISME Journal. Advance online publication 28 November 2013; doi: 10.1038/ismej.2013.211

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news564371
 Pande2013Klein
Arbeitsteilende Bakterien (linke Kolonie) wachsen schneller als autarke Zellen (rechte Kolonie), die alle Aminosäuren selbst herstellen können.

Bildquelle:
S. Pande / MPI für chemische Ökologie

Warum sollte ein Organismus kostspielige Ressourcen in ein anderes Individuum investieren, ohne diese selbst für sich zu nutzen? Die Forschergruppe untersuchte diese Frage mit künstlich erzeugten kooperativen Interaktionen zwischen verschiedenen Bakterienstämmen der Art Escherichia coli, die auf dem wechselseitigen Austausch essentieller Aminosäuren basierten. Hierbei zeigte sich der Vorteil von Arbeitsteilung: Zwei Bakterienstämme die sich die Produktion von zwei Aminosäuren aufteilten (Bakterienkolonie links im Bild) wuchsen schneller als Stämme, die beide Aminosäuren selbst erzeugten (rechte Kolonie im Bild). Trotz erheblicher Kosten der Aminosäureproduktion für beide Kooperationspartner, blieben die untersuchten Interaktionen auch in Anwesenheit anderer, nicht-kooperierender Bakterienstämme stabil. Diese überraschenden Ergebnisse helfen dabei zu verstehen, wieso Bakterien oft in kooperativen Lebensgemeinschaften mit anderen Organismen leben.

Anke Burmeister, Sedighe Karimi, Jana Wetzel, Johannes Wöstemeyer
Complementation of a stable Met2-1 mutant of the zygomycete Absidia glauca by the corresponding wild type allele of the mycoparasite Parasitella parasitica, transferred during infection.
Microbiology 2013, 159, 1639-1648

 

Gentransfer über Artgrenzen hinweg - horizontaler oder lateraler Gentransfer also - ist in der bakteriellen Welt schon lange gut studiert und kann in Laborexperimenten problemlos studiert werden. Bei Eukaryonten weiß man aus umfassenden Sequenzanalysen, dass solche ungewöhnlich wirkenden Gentransfers ebenfalls nicht ganz selten sind. Es gibt allerdings keine vernünftigen Labormodelle, die mechanistische Studien erlauben. Es ist uns gelungen, den Gentransfer des Pilz-parasitischen Pilzes Parasitella parasitica auf einen anderen Pilz, Absidia glauca, auf molekularer Ebene zu studieren.

Während der Infektion des Wirts werden Zellkerne des Parasiten aufgenommen. Von der neu aufgenommenen DNA bleiben nach einiger Zeit extrachromosomale DNA-Fragmente übrig, die als Plasmide ziemlich stabil vererbt werden. Die Gene des Parasiten auf diesen Plasmiden eignen sich dazu, Gendefekte des Wirts zu kurieren. Infektionen können also durchaus helfen, genetische Schäden zu reparieren.

Georgy S. Levit, Uwe Hossfeld & Lennart Olsson
Natural selection: Russia embraced Wallace's works
Nature 2013, 503, 39, DOI: 10.1038/5030

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news560235
 Alfred_Russel_Wallace_Maull&Fox_BNF_Gallica
Bildquelle:
http://de.wikipedia.org/wiki/Alfred_Russel_Wallace
(7.11.2013)
Im Sport wie in der Wissenschaft gilt der Zweite bereits als erster Verlierer. Besonders krass bekam dieses Verdikt der britische Naturforscher Alfred Russell Wallace (1823-1913) zu spüren. "Obwohl Wallace unabhängig von Charles Darwin das Prinzip der natürlichen Selektion entdeckt hat, ist er bis heute nicht aus dem Schatten Darwins herausgetreten", sagt Prof. Dr. Uwe Hoßfeld von der Universität Jena.
Die Autoren (neben Hoßfeld sind es seine Kollegen Prof. Dr. Lennart Olsson, Jena und Dozent Dr. Georgy S. Levit, Halifax - Kings College, ITMO, St. Petersburg) erforschen seit einigen Jahren die Geschichte der Evolutionsbiologie im internationalen Kontext mit dem Ziel, besonders die kosmopolitischen Wege des Darwinismus besser zu erfassen. Im Rahmen dieses Großprojektes haben Prof. Dr. Sergey Polatayko (Lehrstuhl für Geschichte, Soziologie und Philosophie, Nationale Forschungsuniversität ITMO, St. Petersburg) und Dozent Georgy S. Levit die Rolle von Wallace in Russland eingehender untersucht.

Sabrina Ellenberger, Stefan Schuster, Johannes Wöstemeyer
Correlation between sequence,structure and function for trisporoid processing proteins in the model zygomycete Mucor mucedo
Journal of Theoretical Biology 320 (2013) 66-75


 TSPKlein

In der Pilzgruppe der Zygomyceten synthetisieren die  Sexualpartner gemeinsam die notwendigen Sexualhormone. Erst dann läuft der sexuelle Differenzierungsweg in beiden Partnern ab.  Dieses System bietet automatisch und zwanglos ein evolutionär cleveres Sensor-System, weil die Pilze mit Hilfe dieser komplementären Hormon-Synthese problemlos ausmachen können, ob sich ein geeigneter Partner in der Nähe befindet. Erst in Anwesenheit des Partners wird genügend Hormon gebildet, um in den sexuellen Weg hineingehen zu können.
Wir interessieren uns seit langem für diesen spannenden sexuellen Kommunikationsprozess. Neulich ist es gelungen, für zwei  der Schlüsselenzyme der Hormonsynthese, die beiden für den Minus-Kreuzungstyp spezifischen Dehydrogenasen TSP1 und TSP2 aus dem seit den 60er Jahren bewährten Modell-Zygomyceten Mucor mucedo, die wahrscheinlichen Tertiärstrukturen zu ermitteln.
In enger Kooperation zwischen Bioinformatik und Mikrobiologie gelang es der Doktorandin Frau Sabrina Ellenberger, die 3D-Struktur der Enzyme mit hoher Sicherheit zu errechnen und die Bindungsstellen der Hormonvorläufer-Moleküle zu bestimmen. Obwohl beide Enzyme sehr ähnliche Reaktionen synthetisieren, erwiesen sie sich zu unserer Überraschung auf molekularer Ebene als erstaunlich verschieden. Beide haben mit Sicherheit einen anderen evolutionären Ursprung.

Lisa Siegmund, Anke Burmester, Martin S. Fischer, Johannes Wöstemeyer
A model for endosymbiosis: Interaction between Tetrahymena pyriformis and Escherichia coli
European Journal of Protistology 49 (2013) 552-563

 Tetrahymena_pyriformis


Endobiosen bestimmen in hohem Maße die Evolution von den frühen Organismen bis zu weit entwickelten Eukaryonten. Mitochondrien, Plastiden, eventuell Geißeln und mit einiger Sicherheit auch Komponenten der Zellkerne gehen auf die Aufnahme neuer Lebewesen in bereits vorhandene  in sehr frühen evolutionären Zeiten zurück.
Insbesondere in Protozoen, auch in den allseits bekannten Paramecium-Arten (Pantoffeltierchen), findet man teilwiese unglaubliche viele Bakterien, und zwar sowohl im Cytoplama als auch im Zellkern. Diese Endobiosen erwiesen sich als evolutionär alt und stabil.
Um den Prozess der Etablierung von Endobiosen im Labor studieren zu können, haben wir mit Hilfe gentechnischer Tricks Escherichia coli-Zellen geschaffen, die nach der Aufnahme in das bewimperte Protozoon Tetrahymena pyriformis (siehe Bild) selektive Vorteile für beide Partner vermitteln sollten. Das künstliche Endobiose-Modell funktioniert sehr gut: Nachdem die Bakterien wie üblich von den Protozoen gefressen wurden, entkommen einige dem Verdauungsapparat, etablieren sich im Cytoplasma und vermitteln Resistenz gegen das Antibiotikum Paromomycin.
Wir, das sind besonders die Doktorandin Lisa Siegmund und die Genetikerin Anke Burmester, haben in gemeinsamer Anstrengung von Zoologie und Mikrobiologie dieses hübsche experimentelle Modell von der Idee zur Laborwirklichkeit gebracht.

K. Grützmann, K. Szafranski, M. Pohl, K. Voigt, A. Petzold, S. Schuster
Fungal alternative splicing is associated with multicellular complexity and virulence - A genome-wide multi-species study.
DNA Research, published online: October 11, 2013. http://dx.doi.org/10.1093/dnares/dst038

ZygosporeKlein 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
einer Zygospore des Jochpilzes
Zygorhynchus moelleri.
Creative Commons Lizenz 3.0, by-nc-sa,
Friedrich-Schiller-Universität: Sammlungen
der Naturwissenschaften und Naturgeschichte,
"Jena Microbial Resource Collection"

Eine zentrale Frage der Biologie ist, wie so wenige Gene, wie ca. 23000 im Menschen, eine so erstaunliche Komplexität der Lebewesen bewirken können. Einen Teil der Erklärung liefert das alternative Spleißen bei dem weitere Proteinvarianten hergestellt werden, die zur Vielfalt beitragen. Während alternatives Spleißen in Säugetieren häufig untersucht wurde, ist das Phänomen in Pilzen noch recht unbekannt. Nun wurden 23 Pilzspezies mittels bioinformatischer Methoden hinsichtlich dieses Aspektes untersucht. In fast allen Spezies wurde alternatives Spleißen entdeckt. Dabei zeigte sich, dass nur eine vergleichsweise geringe Zahl von durchschnittlich 6,4% der Gene betroffen ist. Es wurden jedoch größere Raten in höher entwickelten Pilzen gefunden, sowie in Pilzen, die Krankheiten in Menschen verursachen können. Das deutet darauf hin, dass alternatives Spleißen zur Vielgestaltigkeit in Struktur und Lebensweise von Pilzen beiträgt.

 
Sahoo, N., N. Goradia, O. Ohlenschläger, R. Schönherr, M. Friedrich, W. Plass, R. Kappl, T. Hoshi, S.H. Heinemann Heme impairs the ball-and-chain inactivation of potassium channels. PNAS plus 2013
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1313247110
SahooKlein 
Die Anwesenheit von intrazellulärem Hämin (rot) führt zu einem verstärkten Auswärtsstrom von K+-Ionen über Kv1.4-Kanäle. Die Hemmung der Inaktivierung der Kanäle wird durch die Bindung von Häm an ein Häm-regulatorisches Motiv, bestehend aus Cystein (Position 13) und Histidin (Position 16) in der N-terminalen sogenannten "Ball"-Domäne ausgelöst.

Häm spielt in erster Linie eine Rolle als stabiler Faktor in Proteinen wie dem Hämoglobin, aber auch als zelluläres Signalmolekül und ist in hohen Konzentrationen sogar toxisch. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Häm als freies intrazelluläres Molekül sehr stark die Aktivität von spannungsabhängigen A-Typ-Kaliumkanälen erhöht. Solche Ionenkanäle bestimmen die Aktionspotentialfrequenz in erregbaren Zellen und bedingen bei Fehlregulation eine pathophysiologische Übererregbarkeit wie z.B. bei Schmerzen und der Epilepsie. Die Bindung von freiem Häm im nanomolaren Bereich an die N-terminale Ball-Domäne von A-Typ-Kanälen induziert eine stabile Struktur und führt dazu, dass diese Domäne den Kanal nicht mehr verschließen kann. Die Folge ist ein erhöhter Ausstrom von K+, der mit einer verringerten zellulären Erregbarkeit einhergeht. Häm könnte daher eine Rolle als negativer Rückkoppelregulator in der Gehirn- und Muskelfunktion spielen.


Stefan Tenzer, Dominic Docter, Jörg Kuharev,  Anna Musyanovych, Verena Fetz, Rouven Hecht, Florian Schlenk,  Dagmar Fischer, Klytaimnistra Kiouptsi, Christoph Reinhardt, Katharina Landfester, Hansjörg Schild, Michael Maskos,  Shirley K. Knauer  Roland H. Stauber
Rapid formation of plasma protein corona critically affects nanoparticle pathophysiology
Nature Nanotechnology 2013, DOI:10.1038/nnano.2013.18


Tenzer

Hemmung der Erythrozyten-Aggregation durch Auflagerung von Plasmaproteinen auf Nanopartikel


In physiologischen Flüssigkeiten, wie z. B. dem Blut liegen Nanopartikel nicht in der Form vor, in der sie im Reagenzglas designt wurden. Plasmaproteine binden an ihre Oberfläche und formen eine sogenannte "Protein-Corona". Diese Corona gibt den Nanopartikeln damit sozusagen eine neue Identität, sie verändern maßgeblich ihre Eigenschaften. Wie diese Corona entsteht, sich im Laufe der Zeit verändert und welche biologische und pathophysiologische Relevanz dieses neue Bio-Nano-Interface hat, ist weitgehend unbekannt.
Für Nanopartikel aus verschiedenen Materialien (Silika, Polystyrol) und mit unterschiedlichen Größen konnte gezeigt werden, dass sich die Coronas um die Nanopartikel sehr rasch (<0,5 min) bilden, sehr komplex aus bis zu 300 verschiedenen Proteinen zusammengesetzt sind und sich über die Zeit verändern. Eine Vielzahl von biologischen und physiologischen Prozessen wie Hämolyse, Thrombozyten- und Erythrozytenaggregation, zelluläre Aufnahme der Partikel und endothelialer Zelltod kann durch die rasche Entstehung der Corona beeinflusst werden.
Das Verstehen der Corona-Formation und ihrer Eigenschaften beeinflusst das Design neuer Nanomaterialien insbesondere in der Nanomedizin und verändert das Verständnis der Nanotoxikologie und der Nanoökologie.

Original-Publikation:
Bartl M, Kötzing M, Schuster S, Li P, Kaleta C.
Dynamic optimization identifies optimal programmes  for pathway regulation in prokaryotes.
Nature Communications 2013, DOI: 10.1038/ncomms3243

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news552680

 Zelle_EinzelKlein
Bildquelle: www.tu-ilmenau.de/simulation
Just in time" - zu Deutsch: gerade rechtzeitig - nach dieser Devise werden heute längst nicht mehr nur Autos gebaut.
Auch in der Natur - dem Inbegriff von Effizienz - laufen Produktionsprozesse nach dem Just-in-time-Prinzip. Zumindest war das die bisher geltende Lehrmeinung.  Der Bioinformatiker Prof. Christoph Kaleta und sein Team wollten daher in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt die Frage klären, wie es Organismen gelingt, genau die Eiweiße in der Menge zu produzieren, die sie gerade brauchen, um an die jeweils herrschenden Umweltbedingungen optimal angepasst zu sein.
Wie die Jenaer Forscher mit Kollegen der Technischen Universität Ilmenau im Fachmagazin "Nature Communications" berichten, arbeiten Bakterien wie beispielsweise Escherichia coli keineswegs immer "just in time" (DOI: 10.1038/ncomms3243) . Diese Produktionsweise sei zwar - wie in industriellen Prozessen auch - sehr effizient, berge aber auch Risiken: Denn bleibt die Zulieferung auch nur eines Bauteils aus, kann die ganze Kette ins Stocken geraten.

Leipold, E., L. Liebmann, G.C. Korenke, T. Heinrich, S. Gießelmann, J. Baets, M. Ebbinghaus, R.O. Goral, T. Stödberg, J.C. Hennings, M. Bergmann, J. Altmüller, H. Thiele, A. Wetzel, P. Nürnberg, V. Timmerman, P. de Jonghe, R. Blum, H.-G. Schaible, J. Weis, S.H. Heinemann, C.A. Hübner, I. Kurth. A de novo gain-of-function mutation in SCN11A causes loss of pain perception. Nature Genetics 2013, DOI: 10.1038/ng.2767



 HeinemannGA_002Klein
Schmerzen sind zwar unangenehm, gehören jedoch zu einem essentiellen Schutzmechanismus, der den Körper vor ernsthafter Schädigung bewahrt. In Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Biophysik und der Arbeitsgruppe von Dr. Ingo Kurth (Institut für Humangenetik, Universitätsklinikum Jena) sowie weiteren internationalen Partnern ist es uns gelungen, die Ursache für die angeborene Schmerzfreiheit von zwei betroffenen Patienten auf molekularer Ebene zu verstehen. Beide Patienten tragen den gleichen Defekt im SCN11A-Gen, welches den spannungsgesteuerten Natriumkanal NaV1.9 kodiert. Mit Hilfe gentechnischer veränderter Mäuse, in denen der gleiche Gendefekt nachgestellt wurde, konnten wir zeigen, dass die Mutation eine Überfunktion von NaV1.9 in den schmerzleitenden Fasern des Rückenmarks zur Folge hat. In scheinbar paradoxer Weise hemmt die Überfunktion der NaV1.9-Kanäle die Funktion der schmerzrelevanten Nervenzellen und verhindert so eine Weiterleitung der Signale in das zentrale Nervensystem. Die Entdeckung dieses unerwarteten Mechanismus wirft ein neues Licht auf die Funktion von NaV1.9-Kanälen und eröffnet Perspektiven für eine gezielte Therapie dieser seltenen Krankheit.
Jahn N., Brantl S.
One antitoxin - two functions: SR4 controls toxin mRNA decay and translation.
Nucleic Acids Res. 2013 
DOI: 10.1093/nar/gkt735
Lyseplatte
Legende zur Abbildung:
1-3 B. subtilis-Zellen, die Toxin BsrG und Antitoxin SR4 exprimieren.
4-8 B. subtilis-Zellen, die kein Antitoxin exprimieren und daher durch die Wirkung des Toxins BsrG lysieren.

Bei Bakterien und Toxinen denkt jeder an Infektionskrankheiten. Aber Bakterien können auch Opfer der von ihnen selbst gebildeten Toxine werden. Antitoxine neutralisieren die Wirkung der Toxine. Die AG Bakteriengenetik untersucht Toxin-Antitoxin (TA)-Systeme vom Typ I, bei denen das Antitoxin eine kleine regulatorische RNA ist, die mit der Toxin-mRNA interagiert. Natalie Jahn konnte für das TA-System bsrG/SR4 aus dem Bacillus subtilis-Chromosom zeigen, dass das Antitoxin nicht nur den Abbau der Toxin-RNA fördert, sondern zusätzlich ihre Translation hemmt. Damit ist SR4 das erste Antitoxin mit zwei Funktionen. In Abwesenheit von SR4 bewirkt das Peptidtoxin BsrG die Lyse der Bacillus-Zellen auf Agarplatten (s. Abb.)
Breidbach, O.
Neuronale Ästhetik
2013. 286 Seiten, 4 s/w Abb., kort.
Verlagshaus Wilhelm Fink
ISBN 978-3-7705-5544-4
 Titelbild_Neuronale ÄsthetikKlein
Santiago Ramón y Cajal:
Zentrales Ganglion des Tintenfisches, 1917

Das Neuronale ist nicht einfach nur Effekt einer Evolution, es ist auch Reflex einer Kultur und in diesem Doppelsinne als Einheit zu deuten. Es geht hier um eine neue integrative Phänomenologie, die unser Erfahren an unsere Körperlichkeit zurückbindet, diesen Körper aber immer auch seine Kultur und damit seine über die bloße Natur hinausgehende Geschichte begreift.


Schaible AM, Koeberle A, Northoff H, Lawrenz B, Weinigel C, Barz D, Werz O, Pergola C
High capacity for leukotriene biosynthesis in peripheral blood during pregnancy.
Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2013 Jul 16.      pii: S0952-3278(13)00133-6.
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.plefa.2013.06.004
[Epub ahead of print]

 130809_Pregnancy-1
Während der Schwangerschaft ist das Immunsystem starken Veränderungen unterworfen, damit fetale Fremdproteine toleriert werden können. Gleichzeitig muss aber auch die Immunabwehr gegeben sein. Leukotriene sind Botenstoffe des Immunsystems, die u.a. auch bei allergischen Erkrankungen eine Rolle spielen, indem sie die Aktivität von Immunzellen modulieren. Interessanterweise häufen sich in der Schwangerschaft Erkrankungen, die mit Leukotrienen in Verbindung stehen, wie z.B. Asthma oder allergischer Schnupfen. Die hier präsentierte Veröffentlichung ging der Frage nach, ob die Leukotrien-Bildung durch die Schwangerschaft beeinflusst wird. Dabei stellte sich heraus, dass das Blut von Schwangeren höhere Leukotrienspiegel aufweist, als das Blut nicht-schwangerer Frauen. Die beobachteten Veränderungen auf zellulärer und biochemischer Ebene könnten in der Regulation des Immunsystems während der Schwangerschaft von Bedeutung sein und erklären auch die Anhäufung Leukotrien-assoziierte Erkrankungen bei Schwangeren. Gleichzeitig fordert der Artikel zu kritischer Evaluierung der Behandlung von Asthma bei Schwangeren mit Arzneistoffen auf, die hemmend auf Leukotriensignalkaskaden wirken.

Schaible, A.M., Traber, H., Temml, V., Noha, S.M., Filosa, R., Peduto, A., Weinigel, C., Barz, D., Schuster, D. and Werz, O. (2013) Potent inhibition of human 5-lipoxygenase and microsomal prostaglandin E2 synthase-1 by the anti-carcinogenic and anti-inflammatory agent embelin. Biochemical Pharmacology

DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.bcp.2013.04.015
  Bild1

Simulation der Bindung von Embelin an 5-Lipoxygenase

 

Ein vielversprechender Weg bei der Suche nach neuen potenten Wirkstoffen ist die Pflanzenwelt. Embelin, ein Dihydroxybenzochinonderivat, ist ein Naturstoff aus Embelia ribes, einer Heilpflanze, die eine lange Tradition in der ayurvedischen Medizin besitzt. Die Veröffentlichung präsentiert Embelin als neuen potenten Hemmstoff der 5-Lipoxygenase und der mikrosomalen Prostaglandin E2 Synthase-1. Diese beiden Enzyme sind für die Bildung von bioaktiven Lipidmediatoren (Leukotriene und Prostaglandin E2) verantwortlich, die im engen Zusammenhang mit entzündlichen Erkrankungen wie zum Beispiel Asthma aber auch Krebs stehen. Embelin wurde hinsichtlich der molekularen und biochemischen Wirkung charakterisiert. Mit Hilfe von computergestützten Docking-Simulationen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Frau Dr. Daniela Schuster (Universität Innsbruck) wurde die Wirkstoff-Target-Interaktion von Embelin näher untersucht.

Original-Publikation:
Hendrik Müller, H. Christoph Liedtke, Michele Menegon, Jan Beck, Liliana Ballesteros-Mejia, Peter Nagel and Simon P. Loader: Forests as promoters of terrestrial life-history strategies in East African amphibians, Biol. Lett., 2013 9 20121146; doi:10.1098/rsbl.2012.1146 . (http://rsbl.royalsocietypublishing.org/content/9/3/20121146.abstract)


Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news530284
FroschKlein

Dieser winzige "Hyperolius mitchelli" aus der Gattung der Riedfrösche, hier auf der Hand von Dr. Hendrik Müller, legt seine Eier an Land ab; lediglich die Kaulquappen kehren ins Wasser zurück.
Foto: Jan-Peter Kasper/FSU
 
Vom Laich über die Kaulquappe zum Frosch - so ist der übliche Weg der Fortpflanzung beim Frosch. Die meisten Amphibienarten sind aufgrund des "aquatischen Larvenstadiums" abhängig von Gewässern für die Fortpflanzung. Es haben sich allerdings bei einigen Amphibienarten Fortpflanzungsstrategien entwickelt, die auf Gewässer nur teilweise oder gar nicht angewiesen sind.
Zum ersten Mal sind nun die Verbreitung und Reproduktion aller in Ostafrika vorkommenden Amphibienarten von einer internationalen Forschergruppe untersucht worden. An der Studie, die jüngst in der Fachzeitschrift "Biology Letters" erschien, ist der Jenaer Biologe Dr. Hendrik Müller führend beteiligt. Für die Studie wurden Daten zur Verbreitung und Fortpflanzung aller im östlichen Kenia und Tansania vorkommenden Amphibien analysiert und ausgewertet. Das Team untersuchte dabei, ob Arten mit terrestrischen Fortpflanzungsstrategien eher zufällig verteilt sind oder ob es Muster in der Verbreitung gibt. Dabei wurden auch die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Arten in der Analyse berücksichtigt.


Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news528363
TripkeKlein 
"Im Kopf": Bild aus dem neuen Jenaer Schüler-Video über Rassismus, das die Künstlerin Julia Tripke gestaltet hat.

Foto: Julia Tripke

Was ist Rassismus und wie funktioniert er? Diesen Fragen haben sich Schüler der Jenaer Montessori-Schule gestellt. Die Antworten sind in einem Video zusammengefasst, das gemeinsam mit der Künstlerin Julia Tripke und der AG Biologiedidaktik der Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie der Stadt Jena erstellt worden ist. Das Resultat ist nun sichtbar auf YouTube unter: http://www.youtube.com/watch?v=KFAf3FRn96Y.

Die Tonaufnahmen sind während einer Projektwoche in der Montessori-Gesamtschule entstanden. Eine Gruppe von Schülern und ihr Biologielehrer Konstantin Seifert haben sich mit dem Thema Rassismus auseinandergesetzt. Im Vorfeld haben sich die Mitarbeiter der AG Biologiedidaktik und der Pädagoge über Bearbeitungsmöglichkeiten des Themas verständigt. Denn das Themenfeld Fremdenfeindlichkeit, Rassismus und Antisemitismus ist ein Forschungsschwerpunkt des AG-Leiters Prof. Dr. Uwe Hoßfeld.

Eisenhauer N et al.: Plant diversity effects on soil food webs are stronger than those of elevated CO2 and N deposition in a long-term grassland experiment. PNAS 2013, DOI: 10.1073/pnas.1217382110

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news528176
 Ring2LupinesKlein
Wenn vom Klimawandel die Rede ist, dann geht es meistens um erhöhte Kohlendioxid- und Stickstoffgehalte. Denn beide verursachen weitreichende Umweltveränderungen: Die steigende Konzentration des Treibhausgases in der Atmosphäre verstärkt die Erwärmung der Erde; die zunehmende Freisetzung von Stickstoff durch Überdüngung hat vor allem Auswirkungen auf die Biodiversität, also die Vielfalt an Pflanzen- und Tierarten.
Für ihre Studie haben die Wissenschaftler Bodenproben von über 200 Versuchsflächen des BioCON-Experiments im US-Bundesstaat Minnesota untersucht. Bereits in den 1990er Jahren haben dort Forscher mehrere zwei mal zwei Meter große Parzellen angelegt und darauf Pflanzengemeinschaften mit einer, vier oder neun Gras- und Kräuterarten angesät. Einige der Versuchsflächen haben die Forscher zudem mit Kohlendioxid und Stickstoff "gedüngt".

Müller A, Ni Z, Hessler N, Wesarg F, Müller FA, Kralisch D, Fischer D (2013).
The biopolymer bacterial nanocellulose as drug delivery system: Investigation of drug loading and release using the model protein albumin.
Journal of Pharmaceutical Sciences 102(2):579-592.

DOI: http://dx.doi.org/10.1002/jps.23385

 VlieseMuellerKlein

Vliese aus bakterieller Nanocellulose
als Arzneistoffträger

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU


Bakterielle Nanocellulose (BNC) ist ein Biopolymer, welches von Bakterien der Gattung Gluconacetobacter xylinus an der Grenzfläche zwischen Luft und Nährmedium synthetisiert wird und chemisch identisch zu Zellulose pflanzlichen Ursprungs ist. Seine besonderen Materialeigenschaften, die Formenvielfalt und zahlreiche Modifizierungsmöglichkeiten machen es einsetzbar in vielen Bereichen von Pharmazie, Medizin, Kosmetik, Technik und Lebensmittelchemie.

In der vorliegenden Studie wurde die Anwendbarkeit von BNC als Arzneistoffträger für Proteine als Wirkstoffe in feuchten und gefriergetrockneten Vliesen getestet. Dazu wurden zunächst Beladungstechniken entwickelt, die die Stabilität und Funktionalität der Proteine nicht beeinträchtigen. Zahlreiche Beladungsparameter wurden identifiziert, mit deren Hilfe eine gezielte Beladung und eine gesteuerte Freisetzung der Wirkstoffe möglich sind. Mathematische Modellierungen zeigten den Einfluss von Diffusions- und Quellungsprozessen. Feuchte und gefriergetrocknete Vliese wiesen unterschiedliche Beladungs- und Freisetzungsprofile auf, die auf strukturelle Unterschiede zurückgeführt werden konnten.

Jahreis G, Wohlgemuth S, Grünz G, Martin L, Knieling M, Engel R, Türk M, Keller S.
Dietary crystalline common-, micro-, nanoscale and emulsified nanoscale sitosterol reduce equally the cholesterol pool in guinea pigs, but varying nanosystems result in different sterol concentrations in serosal jejunum.
Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine (2013) DOI: doi:10.1016/j.nano.2013.03.007
 
Nano_PhytosterolKlein

Foto von Prof. Dr. Ing. Michael Türk, KIT Karlsruhe

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von nanoskaligem Phytosterol

 

Es wird angenommen, dass kolloide Nanosysteme die Bioverfügbarkeit von funktionellen Lebens-mittelinhaltsstoffen verbessern können. Zu diesen Inhaltsstoffen zählen die hypocholesterolämisch wirkenden Phytosterole. Da eine reduzierte Partikelgröße von Phytosterolen neben den herkömmlichen intestinalen Transportmechanismen weitere transzelluläre Absorptionswege öffnen kann, untersuchten wir in vivo den Nahrungseinfluss sowohl von kristallinen normal-, mikro- und nanoskaligen als auch von emulgierten nanoskaligen Phytosterolpartikeln auf die Sterol-konzentrationen verschiedener Gewebe. Es zeigte sich, dass alle Phytosterolsupplemente den Cholesterolpool gleichwertig verminderten, jedoch kristallines und emulgiertes nanoskaliges Phytosterol zu unterschiedlichen Sterolkonzentrationen in Teilen des Dünndarms (serosales Jejunum) führten. Welche Mechanismen hierbei zugrunde liegen, wird zukünftig zu klären sein. 

Lange, M., Orashakova, S., Lange, S., Melzer, R., Theißen, G., Smyth, D. und Becker, A. (2013). The seirena B class floral homeotic mutant of California Poppy (Eschscholzia californica) reveals a function of the enigmatic PI motif in the formation of specific multimeric MADS domain protein complexes. Plant Cell 25: 438-453. 
Titelbild der Zeitschrift  "The Plant Cell",
Februar 2013, 25 (2)
 
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Der Kalifornische Mohn (Eschscholzia californica).

Bei Mohn dürften viele zuerst an leckeren Kuchen oder illegale Rauschmittel denken. Doch statt für den Schlafmohn, dessen Samen vielfältige Verwendung finden, interessieren sich die Arbeitsgruppen um Prof. Annette Becker (Universität Gießen) und Prof. Günter Theißen (Universität Jena) vor allem für die Blüten des kalifornischen Mohns.  Bei ihren Untersuchungen geht es unter anderem um die Frage, welche molekularen Mechanismen für die Ausbildung der großen orangenen Kronblätter dieser Zierpflanze sorgen. Dafür untersuchten die Forscher, darunter auch Dr. Rainer Melzer und Christian Gafert aus Jena, eine Mutante des kalifornischen Mohns, die statt der Kronblätter grünliche Kelchblätter ausbildet. Die Genetiker konnten zeigen, dass in der Mutante ein Protein so verändert ist, dass es mit bestimmten Partnerproteinen nicht mehr interagieren kann. Die Daten zeigen, wie wichtig spezifische Proteininteraktionen für die Ausbildung von Blütenorganen sind.

Weitere Informationen zu Mitgliedern und Themen der DFG-Forschergruppe 1261 "Licht-gesteuerte Reaktionen in einzelligen Modell-Algen" sind zu finden unter:
http://www.uni-jena.de/en/DFG_Research__Group_1261.html

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news525834
Fotos von: Jan-Peter Kasper (FSU)
Standort:
Labor Prof. Maria Mittag, Allgemeine Botanik (FSU)
 
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a) Die Masterstudentin Sandra Wenzel(Studiengang Molecular Life Sciences) betrachtet Kulturen von
Mikroalgen (Chlamydomonas reinhardtii).

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b) Der Biotechnologie Ingenieur Wolfram Weisheit untersucht das Proteom der Mikroalgen mit Hilfe einer Massenspektrometrie-Anlage (LC-ESI-MS).
"Ohne Licht kein Leben" - auf diese schlichte Formel lässt sich die Bedeutung des Sonnenlichts für uns und die Natur auf unserem Planeten bringen. Nicht nur für Tiere und höhere Pflanzen ist Licht das wichtigste Lebenselixier, auch für winzige Mikroalgen, wie Prof. Dr. Maria Mittag von der Friedrich-Schiller-Universität Jena weiß: "Algen nutzen Licht als Energiequelle, es steuert ihre Bewegungen und synchronisiert ihren Tag-Nacht-Rhythmus." Die Professorin für Allgemeine Botanik versucht mit ihrem Team, die zugrundeliegenden Mechanismen zu entschlüsseln, die noch so manche Fragen aufwerfen.

Einzellige Algen, deren gesamtes Genom bekannt ist, z. B. die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii oder die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum, dienen den Forschern als Modellorganismen. Gemeinsam mit Physiologen, Molekularbiologen, Biophysikern und Kristallographen von sieben weiteren Universitäten wollen die Jenaer Botaniker u. a. untersuchen, welche Prozesse diese molekularen "Lichtschalter" auf welche Art und Weise regulieren.

Konkret wollen die Forscher Fotorezeptoren untersuchen wie die UV-absorbierenden Enzymrhodopsine sowie die im blauen Spektralbereich absorbierenden Aureochrome und Cryptochrome unterschiedlicher Typen. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf einem tierähnlichen Cryptochrom, das erst vor kurzem im Rahmen der Forschergruppe in der einzelligen Grünalge Chlamydomonas entdeckt wurde und als sensorischer Fotorezeptor im blauen und roten Spektralbereich wirkt.
Christiane Decker, Harald Schubert, Sylvio May, Alfred Fahr.
Pharmacokinetics of temoporfin-loaded liposome formulations: Correlation of
liposome and temoporfin blood concentration.
Journal of Controlled Release 166 (2013) 277
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jconrel.2013.01.005

Cover Story
Not all liposomes are created equal
Journal of Controlled Release 166 (2013) 316
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jconrel.2013.02.010
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Liposomen sind nanopartikuläre Trägersysteme für Arzneistoffe, die aus Lipiden bestehen, wie sie auch in unseren eigenen Zellmembranen vorkommen, und deshalb gut verträglich sind. In dieser Arbeit wurde der sehr lipophile Antikrebsarzneistoff Temoporfin in den Liposomenmembranen verpackt und untersucht, wie viel Temoporfin auf dem Weg von der Injektionsstelle in den Tumor durch Bindung an Blutproteine (z.B. HDL) verloren geht. Es ist durchaus gewünscht, dass Temoporfin nicht zu fest gebunden ist, damit er dann im Tumor in die Krebszellen diffundieren und dort wirken kann! Die Bestimmung des Transfers zu Blutkomponenten erforderte die Messung von Liposomen und Temoporfin im Blut der Ratten über längere Zeit und die Kombination mit einem komplexen Modell der Transfervorgänge (siehe Diagramm). Es konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass Temoporfin sich in den Tierexperimenten genauso verhält, wie es in eigenen früheren in vitro Versuchen für verschiedenste Liposomen vorausgesagt worden ist. Für die Praxis heißt dies, dass Liposomenmedikamente auch ohne Tierversuche optimal entwickelt werden können.   

Hoshi, T., B. Wissuwa, T. Tian, N. Tajima, R. Xu, M. Bauer, S.H. Heinemann, S. Hou (2013) Omega-3 fatty acids lower blood pressure by directly activating large-conductance Ca2+-dependent K+ channels. Proceedings of the National Academy of Sciences USA (DOI: 10.1073/pnas.1221997110)


Hoshi, T., T. Tian, R. Xu, S.H. Heinemann, S. Hou (2013) Mechanism of the modulation of BK potassium channel complexes with different auxiliary subunit compositions by the omega-3 fatty acid DHA. Proceedings of the National Academy of Sciences USA
DOI: 10.1073/pnas.1222003110)


Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news522075

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Foto: Jan-Peter Kasper/FSU
Fisch ist gesund: Leicht verdaulich und mit einem hohen Gehalt an wertvollen Proteinen gilt Fisch heute als ein wichtiger Bestandteil einer gesunden Ernährung. Und mit den sogenannten Omega-3-Fettsäuren enthält Fisch wahre "Jungbrunnen". Diese Fettsäuren, wie die Docosahexaensäure (DHA), kommen vor allem in fettigen Fischen vor, wie Heringen, Lachsen, Sardellen und Makrelen. Ihnen werden eine blutdrucksenkende Wirkung, die Stärkung des Immunsystems sowie positive Effekte auf die Entwicklung des Nervensystems und auf das Herz-Kreislauf-System zugeschrieben.

Bisherige klinische Studien zur Einnahme von Nahrungsergänzungsstoffen mit Omega-3-Fettsäuren zeichneten allerdings kein klares Bild. Vor allem die molekulare Wirkungsweise der Omega-3-Fettsäuren war bisher nicht vollständig verstanden. Jetzt konnten Wissenschaftler der an der Universität Jena angesiedelten DFG-Forschergruppe FOR 1738 jedoch etwas Licht in dieses Dunkel bringenund haben die Wirkung von Omega-3-Fettsäuren sowohl auf systemischer Ebene untersucht als auch die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen erstmals beschrieben.
Koeberle A. et al. Arachidonoyl-phosphatidylcholine oscillates during the cell cycle and counteracts proliferation by suppressing AKT membrane binding, PNAS, 2013 (DOI:10.1073/pnas.1216182110 )

Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news516948
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Dr. Andreas Koeberle von der Uni Jena prüft eine Lipidprobe. Der Biochemiker hat gemeinsam mit Kollegen im Team um Prof. Dr. Oliver Werz vom Lehrstuhl für Pharmazeutische und Medizinische Chemie herausgefunden, dass bestimmte Lipide aus der Zellmembran das Zellwachstum drosseln können.
Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Innerhalb einer lebenden Zelle kommt dem Enzym "Proteinkinase B" eine zentrale Rolle zu. Im "Maschinenraum" der Zellen, in dem ihr Wachstum und ihre Vermehrung gesteuert werden, übernimmt es die Funktion eines Hauptschalters: Die Proteinkinase B modifiziert andere Enzyme mit chemischen Gruppen und schaltet diese so jeweils "an" oder "aus". "Doch nicht nur beim normalen Zellwachstum ist das Enzym damit einer der Hauptakteure".Auch in Tumorzellen, die sich unkontrolliert vermehren, ist die Proteinkinase B maßgeblich am Wachstum beteiligt". Die Jenaer Forscher haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Tokyo und Tübingen einen bisher gänzlich unbekannten Regulationsmechanismus für die Proteinkinase B entdeckt.
Manja Fleddermann, Anita Fechner, Andrea Rößler, Melanie Bähr, Anja Pastor, Frank Liebert, Gerhard Jahreis (2013): Nutritional evaluation of rapeseed protein compared to soy protein for quality, plasma amino acids, and nitrogen balance - a randomized cross-over intervention study in humans. Clinical Nutrition, http://dx.doi.org/10.1016/j.clnu.2012.11.005

Pressemitteilungen:
http://idw-online.de/de/news516676

http://idw-online.de/pages/en/news516680


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Rapsprotein aus heimischem Anbau kann Sojaeiweiß in Lebensmitteln ersetzen.
Foto: Anne Günther/FSU

Heute leiden weltweit über 500 Millionen Menschen unter Eiweißmangel (Kwashiorkor, Marasmus). Die Eiweißversorgung wird so zum begrenzenden Faktor für eine ausreichende Ernährung der Weltbevölkerung. Immer fragwürdiger erscheint deshalb die Praxis, wertvolles pflanzliches Protein an Tiere zu verfüttern, weil dadurch etwa zwei Drittel infolge der Umwandlung in tierisches Protein vernichtet werden. Deshalb wurde die weltweit erste Studie zur Bioverfügbarkeit von Rapsprotein, das bisher ausschließlich als Tierfutter dient, beim Menschen durchgeführt. In Zusammenarbeit mit einer kanadischen Firma wurde ein Rapsprotein-Isolat extrahiert, das für eine Interventionsstudie mit 28 Männern verwendet wurde. Diese erhielten vergleichend Raps- bzw. Sojaprotein. Nach der Proteinmahlzeit wurden von jedem Studienteilnehmer neun Blutproben entnommen und die Aminosäurenanflutung im Blut analysiert. Die Flächen unter der Kurve waren für Raps- und Soja-Isolat nicht signifikant verschieden. Noch verhindert die Gesetzgebung in Europa den Einsatz von Rapsprotein in der menschlichen Ernährung. Es bedarf der Anerkennung als Functional Food. Die jetzt vorliegenden Studienergebnisse stellen einen wichtigen Schritt bei der Zulassung von Rapseiweiß für die menschliche Ernährung dar.