Wie Daptomycin multiresistente Bakterien tötet

Das Antibiotikum Daptomycin ist oft die letzte Waffe gegen multiresistente Bakterien. Unklar war bislang, wie genau das Medikament wirkt. Eine neue Studie unter Federführung der Universitäten Bonn und Amsterdam bringt nun Licht ins Dunkel. Demnach hemmt Daptomycin durch einen bislang unbekannten Mechanismus die Zellwand-Synthese der Erreger. Die Arbeit ist heute in der Fachzeitschrift PNAS erschienen.

Daptomycin ist ein so genanntes Reserve- oder Notfall-Antibiotikum: Es gilt oft als letzte Rettung gegen multiresistente Bakterien wie z.B. MRSA-Keime. Seit mehr als 10 Jahren ist die Substanz in Deutschland inzwischen zugelassen. Zu der Art und Weise, wie sie Bakterien tötet, gab es aber bislang verschiedene Hypothesen. „Es ist absolut ungewöhnlich“, betont Professor Dr. Tanja Schneider vom Institut für Pharmazeutische Mikrobiologie der Universität Bonn: „Bei allen anderen zugelassenen Antibiotika kennen wir den Wirkmechanismus; bei Daptomycin tappen wir dagegen selbst nach Jahrzehnten intensiver Forschung noch weitgehend im Dunkeln.“

In dieses Dunkel bringen die Wissenschaftler mit ihrer Studie nun etwas Licht. Demnach hemmt Daptomycin mit einem trickreichen Mechanismus die Zellwand-Synthese der gefährlichen Erreger. An der Arbeit waren neben den Universitäten Bonn und Amsterdam auch die Ruhr-Universität Bochum, die Universität Newcastle und das Deutsche Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) beteiligt.

Bakterien sind von einer Membran umgeben, die der Haut einer Seifenblase ähnelt. In ihr sind zahlreiche Proteine eingebettet, die wichtige Aufgaben in der Zelle übernehmen. An die Membran schließt sich nach außen die feste Zellwand an.

Die Membran selbst ist dagegen relativ flexibel. Sie besteht aus Lipiden, einer Substanzgruppe, zu der auch Fette zählen. In Membranen gibt es verschiedene Lipid-Typen. Einige von ihnen haben eine chemische Struktur, die sie sehr beweglich macht – wie leichtflüssiges Öl. Andere sind dagegen zäh wie erkaltetes Fett. In der Bakterienmembran wechseln sich flüssigere mit festeren Bereichen ab. Die Anordnung dieser Bereiche ändert sich ständig – die Membran ist also ein sehr dynamisches System.

Magnet in der Zellmembran

Daptomycin bringt diesen Aufbau nun gründlich durcheinander. Das Antibiotikum ähnelt einer Kaulquappe mit einem dicken Kopf und einem kurzen Schwanz. Dieser Schwanz taucht in die Außenseite der Bakterienmembran ein. Dazu muss sich der Kopf Platz verschaffen und die Lipide etwas zur Seite schieben. „Das funktioniert augenscheinlich nur an bestimmten Stellen, an denen die Membran ausreichend fluide ist“, erklärt Professor Schneider.

Daptomycin-Moleküle haben zudem unter bestimmten Bedingungen die Tendenz, sich aneinanderzulagern. Diese Aggregate benötigen besonders große flüssige Membranbereiche. Zu diesem Zweck ziehen sie – ähnlich wie ein Magnet – weitere leicht bewegliche Lipide an sich heran. Dadurch kommt es zu gravierenden Störungen der Membranstruktur. Proteine, die normalerweise an der Innenseite des Lipid-Häutchens befestigt sind, können sich lösen und ihre Funktion verlieren. „Darunter sind auch Enzyme, die den Aufbau der Bakterien-Zellwand katalysieren“, erklären Schneiders Mitarbeiter Dr. Anna Müller und Dr. Fabian Grein. „Ohne diese Schutzhülle gehen die Erreger zugrunde.“

Neben dem nun gefundenen Mechanismus vermuten die Wissenschaftler noch weitere, die zur antibakteriellen Wirkung von Daptomycin beitragen. Diese aufzuklären, ist Thema aktueller Forschungsarbeiten. Den genauen Wirkungsmechanismus eines Antibiotikums im Detail zu verstehen, sei enorm wichtig. „So können wir beispielsweise besser abschätzen, mit welchen anderen Antibiotika sich der Wirkstoff sinnvoll kombinieren lässt oder wie groß das Risiko einer Resistenzbildung ist“, betont Tanja Schneider.

Momentan wird Daptomycin nur in Fällen eingesetzt, in denen andere Antibiotika versagen – die Mediziner wollen nicht riskieren, dass MRSA-Keime durch unbedachte Nutzung gegen den Wirkstoff unempfindlich werden. Diese Gefahr besteht durchaus: Schon jetzt gibt es Bakterienstämme, die selbst gegen diese schlagkräftige Waffe resistent sind.

(Pressemitteilung für die Universität Bonn)

Wärmekapazität von kondensiertem Licht vermessen

Flüssiges Wasser ist ein sehr guter Wärmespeicher – das weiß jeder, der eine Wärmflasche sein Eigen nennt. Sobald Wasser jedoch siedet oder gefriert, lässt seine Speicherfähigkeit schlagartig nach. Ein ganz ähnliches Verhalten haben Physiker der Universität Bonn nun bei einem Gas aus Lichtteilchen beobachtet. Ihre Erkenntnisse lassen sich beispielsweise nutzen, um ultragenaue Thermometer herzustellen. Die Arbeit erscheint im renommierten Fachjournal Nature Communications.

Wasserdampf wird unter 100 Grad Celsius flüssig – er kondensiert. Physiker sprechen von einem Phasenübergang. Dabei  ändern sich sprunghaft bestimmte thermodynamische Eigenschaften des Wassers. Beispielsweise kann es auf einen Schlag doppelt soviel Wärmeenergie speichern wie noch im gasförmigen Zustand.

Licht besteht aus winzigen unteilbaren Portionen, den Photonen. Auch diese können unter geeigneten Bedingungen kondensieren, wenn man sie weit genug abkühlt. Viele tausend dieser Lichtpakete verschmelzen dann plötzlich zu einer Art Super-Photon mit ungewöhnlichen Eigenschaften – einem so genannten Bose-Einstein-Kondensat.

Auch Photonengas ändert Wärmespeichereigenschaften sprunghaft

Die Physiker der Universität Bonn konnten nun zeigen, dass sich das Photonengas bei diesem Phasenübergang gemäß den theoretischen Vorhersagen von Bose und Einstein verhält: Ähnlich wie Wasser ändert es sprunghaft seine Wärmekapazität, also die Fähigkeit, thermische Energie zu speichern. “Dieses Verhalten kannte man bereits von kondensierenden Atomen”, erklärt Professor Dr. Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik. “Es ist aber das erste Mal, dass dieses Phänomen für ein Kondensat aus Licht nachgewiesen wurde.”

Auch Atome bilden ein Bose-Einstein-Kondensat, wenn man sie sehr stark abkühlt und gleichzeitig genügend von ihnen auf kleinem Raum konzentriert. Sie werden dann plötzlich ununterscheidbar: Sie verhalten sich wie ein einziges Riesen-Atom. Schon vor 20 Jahren hatten Physiker nachweisen können, dass sich bei diesem Phasenübergang die Wärmekapazität der Atome plötzlich ändert. Wie stark diese Änderung ist, lässt sich bei Atomen aber nur ungenau messen. “Das ist bei unserem Kondensat wesentlich besser möglich”, betont Dr. Jan Klärs, der inzwischen aus Bonn an die ETH Zürich gewechselt ist.

Die Wärmekapazität eines Stoffes berechnet sich aus der Energie, die nötig ist, um ihn um ein Grad zu erwärmen. Üblicherweise misst man dazu die Temperatur der Substanz vor und nach Zuführung einer definierten Wärmemenge. Mit einem Thermometer lässt sich die Temperatur eines Gases aus Licht jedoch nicht messen. Allerdings ist das auch gar nicht nötig. “Um die Temperatur des Gases zu bestimmen, muss man lediglich die unterschiedlichen Wellenlängen der Lichtteilchen kennen – die Verteilung ihrer Farben”, sagt Klärs. Und diese lässt sich mit den heute verfügbaren Methoden extrem genau ermitteln.

“Unsere Ergebnisse für die Änderung der Wärmekapazität beim Übergang vom Photonengas zum Bose-Einstein-Kondensat decken sich exakt mit den theoretischen Vorhersagen”, erklärt Tobias Damm vom Institut für Angewandte Physik. “Die Genauigkeit dieser Methode ist so hoch, dass sie sich sehr gut für die Präzisionsmessung bestimmter thermodynamischer Naturkonstanten eignet.”

Der Wärmeinhalt des Photonengases ändert sich nicht nur bei der Kondensation zum Super-Photon, sondern auch kontinuierlich mit der Umgebungstemperatur. Die Bonner Physiker hoffen daher, dass sich ihre Erkenntnisse auch für den Bau hochpräziser Thermometer nutzen lassen.

(Pressemitteilung für die Universität Bonn)

Eigennütziges Opfer

Männliche Wespenspinnen werden bei der Paarung von ihrer Partnerin gefressen. Sie verlieren ihr Leben, gewinnen dadurch aber gleich doppelt.

Der berühmte deutsche Tierfilmer Horst Stern hat heute noch unter Spinnen-Freunden eine treue Fangemeinde. Diese verdankt er vor allem seinem Film „Leben am seidenen Faden“, der erstmals 1975 ausgestrahlt wurde. Darin zeigte er seinem faszinierten Publikum unter anderem, was die Schwarze Witwe nach der Paarung mit ihrem unglückseligen Liebhaber anstellt: Sie verzehrt ihn. Für moralische Entrüstung bestehe allerdings kein Anlass, stellte er damals nüchtern fest. Als Nahrung für seine schwangere Partnerin nütze das Männchen immerhin den eigenen Nachkommen.

Das hört sich plausibel an. Doch die Forscher sind sich uneins, ob diese These wirklich stimmt. Ein Gegenargument ist der Größenunterschied zwischen den Geschlechtern: Bei den Witwenspinnen können die Weibchen locker 50mal soviel wiegen wie ihre Sexualpartner. Ein Männchen ist für sie also kaum mehr als ein Happen für den hohlen Zahn. Große Auswirkungen auf das Gelege sollte so ein bisschen Fingerfood eigentlich nicht haben. Bei der australischen Rotrücken-Witwenspinne etwa legt das Weibchen nach einem kannibalischen Snack weder mehr Eier, noch sind diese im Schnitt größer oder schwerer.

Die Kinder der auch in Deutschland vorkommenden Wespenspinne zumindest scheinen aber tatsächlich vom Opfertod ihres Vaters zu profitieren: Wenn das Weibchen bei der Kopulation ihren Liebhaber verzehrt, verbessert das die Überlebenschancen der Nachkommen bei knappen Nahrungsressourcen erheblich. Das zeigen die Hamburger Biologen Professor Dr. Jutta Schneider und Klaas Welke in einer aktuellen Studie, die in diesen Tagen in der Zeitschrift Animal Behaviour erscheint.

Die Beobachtung kommt unerwartet: Auch bei den Wespenspinnen sind die Männchen im Vergleich zu ihren Partnerinnen winzig. „Vielleicht enthalten sie aber irgendwelche Substanzen – beispielsweise seltene Aminosäuren -, die sich positiv auf die Fitness der Jungtiere auswirken“, spekuliert Welke. Auch andere Experten halten das für möglich. „Es ist vorstellbar, dass das Männchen bestimmte Stoffe bildet, die die jungen Wespenspinnen brauchen“, sagt etwa die Greifswalder Spinnenkundlerin Professor Dr. Gabriele Uhl. „Um diese These zu prüfen, müssten wir aber zunächst einmal die genaue chemische Zusammensetzung der Männchen bestimmen. Es reicht ganz sicher nicht, nur den Gehalt an Fetten, Proteinen und Kohlenhydraten zu kennen – schließlich kann es eine kleine Sache sein, die den Unterschied in der Überlebensrate bewirkt.“

Das Männchen zieht aus seinem eigenen Opfertod übrigens noch einen weiteren Vorteil: Weibliche Wespenspinnen haben nämlich oft mehrere Sexualpartner, deren Spermien sie zunächst sammelt. Aus diesem Reservoir befruchtet sie dann später ihre mehreren hundert Eier. Die Jungtiere aus ein und demselben Gelege können also verschiedene Väter haben. Ein Männchen, das sich beim Liebesspiel fressen lässt, kann dadurch die Dauer der Kopulation deutlich verlängern – und damit auch die Zahl der übertragenen Samenzellen. In der anschließenden „Spermien-Lotterie“ hat es daher bessere Karten: „Das Männchen steigert gegenüber den Konkurrenten die Chancen, die Eizellen seiner Partnerin zu befruchten“, erklärt Jutta Schneider. Anders gesagt: Eine männliche Wespenspinne verliert zwar ihr Leben, wenn sie sich opfert. Gleichzeitig gewinnt sie aber doppelt: Durch den höheren Anteil befruchteter Eizellen – und durch die bessere Überlebensrate ihrer Nachkommen.

Noch einmal zurück zur eingangs erwähnten Rotrücken-Witwenspinne. Bei ihr biegt das Männchen den Hinterleib während der Begattung extra so, dass das Weibchen problemlos zubeißen kann. Es opfert sich also regelrecht – und das, obwohl die Nachkommen davon keinen Vorteil zu haben scheinen. Möglicherweise hat dieses selbstmörderische Verhalten jedoch einen ganz anderen Grund: Auch das Weibchen der Rotrückenspinne kopuliert nämlich gerne mit mehreren Partnern. Wenn sie ein Männchen verzehrt hat, vergeht ihr dazu aber die Lust. Ihr Liebhaber wirkt also wie eine Art „Anti-Aphrodisiakum“ – und kann so noch nach seinem Tod lästige Konkurrenten fernhalten.

(erschienen am 15.3.2012 in der Frankfurter Rundschau)

Forscher formulieren Strategien gegen den Hunger

Forscher der Universität Bonn haben zusammen mit US-Kollegen eine Weltkarte von Strategien gegen den Hunger veröffentlicht. Sie beschreibt diejenigen Maßnahmen, die je nach Region und Feldfrucht besonders sinnvoll sind, um die Lebensmittelversorgung nachhaltig zu sichern. Die Arbeit erscheint am 17. Juli im Wissenschaftsmagazin Science. Auch in Deutschland gibt es Potenzial für Verbesserungen.

Mutter Erde ernährt ihre Kinder momentan eher schlecht als recht: Eine Milliarde Menschen gehen jeden Abend hungrig zu Bett. Gleichzeitig trägt die Landwirtschaft erheblich zur Umweltbelastung bei, etwa durch Treibhausgasemissionen, Bewässerung  oder Überdüngung. Das Problem wird sich noch verschärfen – bis 2050 soll die Weltbevölkerung um weitere zwei Milliarden Erdenbürger wachsen.

Dennoch ließe sich die Lebensmittelversorgung nachhaltig sichern, sind Experten überzeugt. Schon 2011 hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Bonn dazu fünf Maßnahmen vorgeschlagen. Nun legen die Wissenschaftler nach: In einer aktuellen Science-Publikation zeigen sie, in welchen Weltregionen welche der Maßnahmen besonders sinnvoll sind. „Wir haben die Strategien identifiziert, mit denen wir je nach Region die größtmögliche Wirkung erzielen können“, erklärt Dr. Stefan Siebert von der Universität Bonn.

Ein Ziel ist es beispielsweise, die Ernteerträge zu erhöhen – etwa durch verbesserte Anbaumethoden und Technologien. In Regionen wie Deutschland haben derartige Maßnahmen aber nur wenig Potenzial. Hierzulande erzielen Landwirte bereits rund 80 bis 90 Prozent der Erträge, die momentan unter den gegebenen Boden- und Klimaverhältnissen erreichbar sind.

Nahrung für 850 Millionen Menschen durch höhere Erträge

Anderswo ist die Lücke größer; in manchen Regionen könnten Landwirte bei verbessertem Anbau zehnmal soviel ernten. Die „Ertrags-Lücke“ beträgt dort also 90 Prozent. „Wenn wir diese Lücke auf 50 Prozent schließen, könnten wir rund 850 Millionen Menschen zusätzlich ernähren“, betont Siebert. Die dazu nötigen Maßnahmen sollten sich vor allem auf Afrika, Asien und Osteuropa konzentrieren: Allein dort könnte Nahrung für zusätzlich 780 Millionen Menschen produziert werden.

Die Forscher fordern zudem, die Umwandlung der Regenwälder in Acker- und Weideland zu stoppen. An der Spitze steht hier Brasilien: Ein Drittel des Weltregenwald-Verlustes zwischen den Jahren 2000 und 2012 geht auf das Konto des WM-Gastgebers. Indonesien folgt mit 17 Prozent auf Platz 2. Folgen sind der Verlust der Artenvielfalt, ein beschleunigter Klimawandel und die Ausbreitung von Wüsten – eine Gefahr, die weitere Menschen in den Hunger treiben könnte.

Die Studie zeigt auch, wo sich der strategische Einsatz von Wasser und Düngemitteln wirklich lohnt. Zudem geben die Forscher an, in welchen Gegenden Nahrungsmittel besonders ineffizient genutzt werden. Dieses Problem betrifft nicht nur die Wohlstands-Gesellschaften, sondern auch die Entwicklungsländer: Ein Drittel bis die Hälfte der Lebensmittel wird dort von Schädlingen gefressen oder verdirbt aufgrund der mangelhaften Lager- und Transportinfrastruktur.

Deutschland: Zu viel Tierfutter und Energiepflanzen angebaut

Die Forscher kritisieren zudem, dass weltweit pflanzliche Lebensmittel immer seltener für den menschlichen Verzehr verwandt werden. „Wir bauen Mais oder Soja an, um unsere Tiere zu füttern; dabei könnten wir diese Produkte auch selbst essen“, bemängelt Siebert. Das Problem dabei: Kein Tier setzt Nahrung hundertprozentig in Fleisch, Milch oder Eier um – so gute Futterverwerter gibt es nicht. Stattdessen kostet die Produktion einer tierischen Kalorie momentan mehr als drei pflanzliche Kalorien – ein Verlust von 70 Prozent. Der Anbau von Energiepflanzen auf Ackerland geht sogar komplett zu Lasten der menschlichen Ernährung.

An dieser Stelle sind vor allem die westlichen Industrienationen in der Pflicht: In Deutschland werden nur noch 40 Prozent der auf Ackerland erzeugten Kalorien direkt für die Ernährung von Menschen verwandt, haben die Wissenschaftler ausgerechnet. Im Ostafrikanischen Kenia liegt diese Quote fast bei 100 Prozent.

Milchstraße

Spektakuläre Doppelexplosion am Sternenhimmel

Der Riesenstern Beteigeuze wird sein Leben in naher Zukunft vermutlich mit einem gewaltigen Doppelschlag beenden. Das schreiben Astronomen der Universität Bonn in einer Publikation, die in Kürze in der Zeitschrift Nature erscheint. Die Explosionen könnten so stark sein, dass sie von der Erde aus am Taghimmel sichtbar sind.

Beteigeuze hat den 600fachen Durchmesser der Sonne. Am Nachthimmel ist er der zehnthellste Stern. Astronomen erwarten, dass er in naher Zukunft explodieren wird. Als so genannte Supernova wird er dann das Firmament überstrahlen – so hell wie der Mond. Wahrscheinlich ist die Explosion sogar tagsüber von der Erde sichtbar. Wann es soweit ist, lässt sich nicht genau sagen. „Es kann morgen passieren oder in hunderttausend Jahren“, erklärt der Bonner Astronom Dr. Jonathan Mackey.

Der Nature-Studie zufolge wird es vermutlich nicht bei einem Rumms bleiben. Denn Beteigeuze ist von einer Hülle aus Materie umgeben. „Das Material in die dieser Hülle summiert sich auf ein Zehntel der Sonnenmasse“, sagt Dr. Mackey.

Bei der Supernova-Explosion werden die äußeren Schichten von Beteigeuze abgesprengt und ins All geschleudert. Diese Sternenfragmente rasen mit vielen tausend Kilometern pro Sekunde auf die Materiehülle zu. Nach einigen Monaten bis maximal drei Jahren kommt es dort zu einem riesigen Crash, der auf der Erde als weitere Explosion sichtbar werden dürfte.

Rätselhafte Materiehülle

Dass es diese Materiehülle um Beteigeuze gibt, ist erst seit 2012 bekannt. Ihre Entstehung gab den Astronomen bislang Rätsel auf. Mackey und seine Kollegen legen in ihrem Nature-Paper eine plausible Hypothese vor. Schon lange ist bekannt, dass Rote Riesen (wie andere Sterne auch) von ihrer Oberfläche ständig Materie ins All schleudern – den Sternenwind.

Die Strahlung des interstellaren Mediums erhitzt diesen Sternenwind, wie die Bonner Forscher unter anderem in Computersimulationen zeigen konnten. Diese Hitze erzeugt eine Schockwelle, die den Wind abbremst. So entsteht in einiger Entfernung um Beteigeuze eine nahezu bewegungslose Hülle aus ehemaligem Sternenmaterial.

Dieser Vorgang sollte nach den Bonner Überlegungen auch bei anderen Roten Superriesen auftreten. Die Materieansammlungen könnten dort sogar noch erheblich größer sein – die Forscher rechnen mit bis zu fünf Sonnenmassen. Das könnte erklären, warum Supernova-Explosionen mitunter 10- bis 100-mal heller sind als theoretisch zu erwarten. Denn wenn die Reste des explodierten Sterns in eine derart dichte Materiehülle rasen, wäre eine zweite Explosion gewaltigen Ausmaßes die Folge.

Supernovae sollten in der Milchstraße im Schnitt etwa alle hundert Jahre zu beobachten sein. In unserer Nachbargalaxie, der Großen Magellanschen Wolke, wurde am 24. Februar 1987 eine Supernova-Explosion entdeckt. Trotz der großen Entfernung von 160.000 Lichtjahren war sie auf der Südhalbkugel ebenfalls mit bloßem Auge sichtbar, allerdings nur nachts.

Die letzte Supernova-Explosion in der Milchstraße liegt schon ein Weilchen zurück: Italienische Himmelskundler bemerkten im Oktober 1604 einen neuen Himmelskörper, der alle anderen Sterne überstrahlte. Der deutsche Astronom Johannes Kepler beschrieb das Phänomen ausführlich; daher wurde die Supernova nach ihm benannt. Die Explosion von Beteigeuze dürfte für Erdenbewohner um Einiges spektakulärer sein – der Rote Superriese liegt uns 30mal näher als Keplers Supernova.

(Pressemitteilung für die Universität Bonn)

Verräterische Finger

Männer mit breitem Gesicht sind unehrlich; ein langer Ringfinger verweist auf erhöhte Aggressivität; die Drehrichtung der Haare am Hinterkopf erlaubt Rückschlüsse über sexuelle Neigungen: Die Physiognomik – der Versuch, aus äußerlichen Merkmalen eines Menschen auf seine Persönlichkeit zu schließen – scheint ein wissenschaftlich fundiertes Revival zu erleben. Doch was ist an den Erkenntnissen wirklich dran?

Finger eines Säuglings

Je mehr Testosteron ein Kind im Mutterleib abbekommt, desto länger werden womöglich seine Ringfinger im Vergleich zum Zeigefinger.

Gut möglich, dass Peter Hill seinen langen Ringfingern sein Leben verdankt.

Es war an einem Frühlingstag vor dreieinhalb Jahre. Der heute 71-jährige Brite saß in einem Café und blätterte in den Zeitungen. Sein Blick blieb an einem Artikel hängen, in dem es um eine Studie der University of Warwick ging. Die Fingerlänge von Männern erlaube Aussagen über ihr Prostatakrebs-Risiko, las er. Wenn der Zeigefinger der rechten Hand länger als der Ringfinger sei, sei die Wahrscheinlichkeit zu erkranken um ein Drittel niedriger.

Peter Hill sah auf seine Hände. Seine Ringfinger sind ein gutes Stück länger als seine Zeigefinger. Bedeutete das, dass er ein erhöhtes Krebsrisiko trug? Seit einiger Zeit schon musste er nachts häufiger Wasser lassen. Er hatte deswegen bereits einen Arzt aufgesucht, aus Angst vor einer Prostata-Erkrankung. Der hatte aber nichts festgestellt. Er solle sich keine Sorgen machen.

Doch nun dieser Zeitungsartikel. Hill wollte kein Risiko eingehen. Er fasste den Entschluss, sich noch einmal durchchecken zu lassen. Der junge Arzt, der ihn diesmal untersuchte, nahm ihm Blut ab. Die Probe enthielt eine stark erhöhte Konzentration von Prostata-spezifischem Antigen (PSA). In Hills Alter wäre ein PSA-Wert von 4 normal gewesen; er lag aber fast 25mal höher. Ein hoher PSA-Wert gilt als Indiz für eine Prostata-Erkrankung. Bei Nachfolge-Untersuchungen erhärtete sich der Verdacht: Peter Hill hatte Prostata-Krebs. Er schluckte monatelang Hormone und erhielt danach eine Strahlentherapie. Heute ist der Tumor verschwunden. „Es war sehr knapp“, erinnert er sich. „Der Zeitungsartikel hat mein Leben gerettet.“
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Teamarbeit im Reich der Quanten

Physikern der Universitäten Bonn und Cambridge ist es gelungen, zwei komplett unterschiedliche Quantensysteme miteinander zu koppeln. Damit sind die auf dem Weg zum Quantencomputer einen wichtigen Schritt vorangekommen. Die Forscher setzten dabei auf eine Maßnahme, die in der Quantenwelt ebenso gut zu funktionieren scheint wie bei uns Menschen: Teamarbeit.

Große Herausforderungen nimmt man am besten gemeinsam in Angriff. In einem Team kann jedes Mitglied seine individuellen Stärken einbringen – zum Nutzen aller Beteiligten. Da ist zum Beispiel der schusselige Wissenschaftler, der zwar brillante Ideen hat, diese aber schnell wieder vergisst. Er benötigt die Hilfe seines gewissenhaften Kollegen, der emsig alles notiert, um den Wirrkopf später daran zu erinnern zu können.

Ganz ähnlich ist es in der Welt der Quanten. Dort übernehmen die so genannten Quantendots (abgekürzt: qDots) die Rolle des vergesslichen Genies. Quantendots sind zwar unschlagbar schnell, wenn es um die Verarbeitung von Quanteninformationen geht. Leider vergessen sie das Ergebnis dieser Berechnung aber ebenso rasch wieder – zu rasch, um in einem Quantencomputer wirklich nützlich zu sein.

Geladene Atome, Ionen genannt, haben dagegen ein exzellentes Gedächtnis: Sie können Quanteninformationen für viele Minuten speichern. In der Quantenwelt ist das eine Ewigkeit. Zum schnellen Rechnen eignen sie sich bisher allerdings weniger, da die internen Prozesse vergleichsweise langsam ablaufen. Die Physiker aus Bonn und Cambridge haben daher beide Bausteine, qDots und Ionen, zur Teamarbeit verdonnert. Experten sprechen auch von einem Hybrid-System, weil es zwei komplett unterschiedliche Quantensysteme miteinander kombiniert.

Schusselige qDots

qDots gelten bei der Entwicklung von Quantencomputern als große Hoffnungsträger. Im Prinzip sind sie extrem miniaturisierte Elektronenspeicher. qDots lassen sich mit denselben Techniken wie normale Computerchips herstellen. Dazu muss man die Strukturen auf den Chips nur so verkleinern, bis sie nur noch ein einziges Elektron fassen (im herkömmlichen PC sind es dagegen 10 bis 100 Elektronen).

Das in einem qDot gespeicherte Elektron kann Zustände annehmen, wie sie durch die Quantentheorie vorhergesagt werden. Allerdings sind diese sehr kurzlebig: Sie zerfallen binnen weniger Picosekunden (zur Illustration: das Licht legt in einer Picosekunde lediglich eine Strecke von 0,3 Millimetern zurück). Bei diesem Zerfall entsteht kleiner Lichtblitz: ein Photon.

Photonen sind Wellenpakete, die in einer festgelegten Ebene schwingen – der Polarisationsrichtung. Der Zustand des qDots bestimmt, welche Polarisationsrichtung das Photon hat. „Wir haben das Photon genutzt, um damit ein Ion anzuregen“, erläutert Professor Dr. Michael Köhl vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Dabei haben wir gespeichert, welche Polarisationsrichtung das Photon hatte.“

Gewissenhafte Ionen

Dazu brachten die Forscher eine dünne Glasfaser an dem qDot an. Über diese Faser transportierten sie das Photon zum viele Meter entfernten Ion. Ganz ähnlich arbeiten Glasfasernetzwerke, wie sie in er Telekommunikation eingesetzt werden. Um die Informationsübertragung möglichst effizient zu machen, hatten sie das Ion zwischen zwei Spiegel gesperrt. Die Spiegel warfen das Photon wie einen Ping-Pong-Ball hin und her, bis es vom Ion absorbiert wurde.

„Durch Beschuss mit einem Laserstrahl konnten wir das so angeregte Ion auslesen“, erklärt Professor Köhl. „Wir konnten dabei messen, welche Polarisationsrichtung das zuvor absorbierte Photon hatte.“ Der Zustand des qDots kann also gewissermaßen im Ion konserviert werden – theoretisch gelingt das für viele Minuten.

Der Erfolg ist ein bedeutender Schritt auf dem noch langen und steinigen Weg zum Quantencomputer. Langfristig erhoffen sich Forscher rund um den Globus wahre Wunderdinge von diesem neuen Rechnertypus: Bestimmte Aufgaben wie die Zerlegung großer Zahlen in ihre Faktoren sollte er spielend bewältigen können. Herkömmliche Computer beißen sich daran dagegen die Zähne aus. Seine Talente entfaltet der Quantencomputer allerdings nur bei derartigen Spezialaufgaben: Bei den normalen Grundrechenarten ist er erbärmlich langsam.

Du denkst, wie du dich kleidest

„You are what you wear“, sagen die Briten, „du bist, was du trägst“. Und tatsächlich scheinen wir uns mit unserer Kleidung auch eine Art Rolle überzustreifen, die erstaunlich viele Aspekte unseres Ich verändert – meist ohne dass wir es merken.

Ein hübsches Beispiel für diesen Effekt haben nun US-Wissenschaftler in einer aktuellen Studie beschrieben.  Sie baten Studentinnen und Studenten, zwei unterschiedliche Outfits mit an die Uni zu bringen: einen Satz legerer Klamotten plus einen Satz formeller Kleidungsstücke, wie sie sie bei einem Vorstellungsgespräch tragen würden. Das Experiment startete damit, dass die Teilnehmer sich umzogen. Dabei wurden sie nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt. Die Probanden in der ersten Gruppe warfen sich in ihre Freizeitkluft, die in der zweiten Gruppe dagegen zwängten sich in Sakko oder Blazer.

Nun mussten die Studierenden verschiedene Aufgaben bearbeiten. Dabei machten die Wissenschaftler eine interessante Beobachtung: Die formell gekleideten Teilnehmer fanden zu den Übungen eher abstrakte Lösungen. Ihre leger angezogenen Kommilitonen dachten dagegen viel konkreter. Wenn sie zum Beispiel entscheiden sollten, ob ein Kamel als Transportmittel bezeichnet werden kann, tendierten Sakko-Träger eher zu einem entschiedenen „ja“, während Sweatshirt-Träger die Frage verneinten.

Die Forscher vermuten, dass formelle Kleidung uns dazu bewegt, eine distanziertere Haltung einzunehmen. Und zwar nicht nur zu unserer Umgebung, sondern auch zu den Informationen, die wir zu bewerten haben. Dieser größere Abstand führt zu einer abstrakteren Denkweise: Aus der Entfernung sehen wir eher die allgemeinen Prinzipien, das große Ganze; aus der Nähe dagegen die Details.

Dass Kleidung unsere Denkweise verändert, hat vor knapp drei Jahren bereits ein anderes US-Team zeigen können: In ihrer Arbeit konzentrierten sich die Versuchspersonen stärker und machten weniger Fehler, wenn sie einen Arztkittel trugen. Die aktuelle Studie gehe allerdings darüber hinaus,  betont ihr Hauptautor Dr. Abraham Rutchick. Zum Einen sei das Umschalten auf eine abstraktere Denke viel grundlegender als eine Steigerung der Aufmerksamkeit. Zum Anderen werde dieser Effekt durch ganz gewöhnliche Kleidung ausgelöst, wie sie die meisten Menschen im Schrank hätten. „Ärztekittel werden dagegen sehr selten von Leuten getragen, die keine Ärzte sind.“

(erschienen in Psychologie heute)

Hilfe für die Killerzellen

Wissenschaftler der Universität Bonn haben mit Kollegen aus den USA und Japan einen wichtigen Immunmechanismus aufgeklärt. Ihre Arbeit zeigt, wie der Körper bei einer Infektion den wichtigen Killerzellen einen Helfer an die Seite stellt. Die Studie könnte in Zukunft den Weg zu besseren Impfstoffen weisen. Die Arbeit erscheint in der renommierten Fachzeitschrift Cell und ist ab dem 18. August online abrufbar.

In unserem Immunsystem geht es zu wie bei einem Agententhriller. In der Rolle des James Bond sind dabei die so genannten T-Killerzellen: Sie haben die Lizenz zum Töten. Wenn sie etwa auf eine von Viren befallene Zelle stoßen, durchlöchern sie deren Zellmembran, bis die Zelle platzt und stirbt. So wird verhindert, dass sich das Virus weiter ausbreitet.

Bei diesem Kampf sollen keine Unschuldigen zu Schaden kommen. Daher werden die Killerzellen vor ihrem Einsatz sorgfältig gebrieft – ähnlich wie 007 von seiner Vorgesetzten M. Das Briefing übernehmen die dendritischen Zellen des Immunsystems: Sie sammeln Indizien einer Infektion und halten sie den Killerzellen wie eine Art Fahndungsfoto unter die Nase.

Wo M und 007 sind, kann auch Q nicht weit sein – der Chefingenieur im Dienste der Agency, der Bond stets mit den raffiniertesten Waffen ausstattet. Die Rolle von Q übernehmen in der körpereigenen Abwehr die so genannten T-Helferzellen. Sie kurbeln beispielsweise die Vermehrung der T-Killerzellen an und helfen ihrem Gedächtnis auf die Sprünge. So kann sich 007 bei einer erneuten Infektion mit demselben Virus daran erinnern, dass er es mit diesem Feind schon einmal zu tun hatte.

Konspiratives Treffen im Lymphknoten

Die Akteure des Immunsystems und ihre jeweiligen Rollen sind schon seit einiger Zeit bekannt. Unklar war jedoch bislang, um welche Sorte dendritischer Zellen es sich bei M handelt. Außerdem wusste man nicht, wie M, Q und 007 es überhaupt schaffen, sich zu treffen. Man vermutete zwar, dass dieses Treffen im Lymphknoten stattfindet. Doch so ein Lymphknoten ist groß – es ist extrem unwahrscheinlich, dass die drei Akteure per Zufall zueinander finden.

Die Immunologen der Universität Bonn konnten diese Frage nun beantworten. Demnach werden die T-Killer- und die T-Helferzellen nach einer Infektion zunächst getrennt voneinander in Alarmbereitschaft versetzt. Bei diesem Vorgang werden sie mit einer Art GPS-Empfänger ausgestattet. „Dieser Empfänger lotst die beiden dann zu einer so genannten XCR1-Zelle“, erklärt der Bonner Immunologe Professor Dr. Wolfgang Kastenmüller. „Das ist eine dendritische Zelle mit besonderen Eigenschaften. An ihr können sowohl die T-Helferzellen als auch die T-Killerzellen andocken.“

Die Wissenschaftler konnten diese Vorgänge mit einem so genannten Intravital-Mikroskop sichtbar machen. Damit lassen sich in lebenden Tieren zelluläre Vorgänge beobachten – also unter Echtbedingungen. Die Ergebnisse sind möglicherweise auch für die Entwicklung neuer Impfstoffe von Interesse. Denn Killerzellen werden am besten durch lebende Viren oder Bakterien aktiviert. Eine Lebendimpfung birgt aber gerade bei gefährlichen Erregern Risiken, die man gerne vermeiden möchte. Besser wäre es, Killerzellen durch ungefährliche Bruchstücke von Krankheitserregern aktivieren zu können. „Unsere Erkenntnisse könnten langfristig dazu beitragen, diese Idee Wirklichkeit werden zu lassen“, sagt Kastenmüller.

Was guckst du?

Schon im Alter von sieben Monaten können Säuglinge Gefühle von den Augen ihres Gegenübers ablesen.

Schon im Alter von sieben Monaten können Säuglinge Gefühle von den Augen ihres Gegenübers ablesen.

Schon mit sieben Monaten können Babys schreckgeweitete von neutral blickenden Augen unterscheiden. Unseren Vorfahren dürfte diese Gabe häufig das Leben gerettet haben.

Versetzen Sie sich einmal zurück in Ihre Schulzeit: Sie brüsten sich gerade vor einem Ihrer Klassenkameraden damit, wie geschickt Sie beim eben geschriebenen Vokabeltest geschummelt haben. Da wandert der Blick Ihres Freundes zu einem Punkt oberhalb Ihrer Schulter, und seine Augen weiten sich. Erschrocken sehen Sie sich um, und richtig: Hinter Ihnen steht Ihr Englischlehrer und lächelt maliziös.

Sie hätten sich wahrscheinlich gar nicht umdrehen müssen: Sie ahnten, dass Sie aufgeflogen waren, sobald Sie den Blick Ihres Mitschülers registrierten. Die Augen unseres Gegenübers dienen uns als Spiegel, in dem wir Gefahren hinter unserem Rücken erkennen können. Diese Gabe hat unseren Vorfahren im Laufe der Evolution vermutlich häufig das Leben gerettet.

Wie grundlegend diese Fähigkeit ist, zeigt nun ein Befund von Max-Planck-Forschern aus Leipzig: Demnach können schon Babys im Alter von sieben Monaten Gefühle von den Augen ablesen. Und zwar selbst dann, wenn sie die Augen nur so kurz gezeigt bekommen, dass sie sie bewusst gar nicht wahrnehmen.

Bei den Untersuchungen trugen die kleinen Probanden eine Art Badekappe, in der Elektroden eingelassen waren. Auf einem Computerbildschirm vor ihnen tauchten in zufälliger Reihenfolge Fotos von schreckgeweiteten und neutral blickenden Augen auf. Die Wissenschaftler zeichneten derweil die Hirnströme der Säuglinge auf. Geweitete Augen führten dabei zu einem deutlich anderen Erregungsmuster als neutrale.

Besonders erstaunlich daran: Jedes Augen-Foto leuchtete nur für eine zwanzigstel Sekunde auf dem Bildschirm auf. Säuglinge benötigen aber mindestens doppelt so lang, um einen visuellen Reiz bewusst wahrzunehmen. Sie scheinen also über den Blick vermittelte Informationen selbst dann erkennen zu können, wenn diese unterhalb der Wahrnehmungsschwelle liegen. Und das auch noch ausgesprochen flott: Die Identifikation der Schreck-Signale dauerte gerade einmal so lang wie ein Wimpernschlag.

Ob Babys auf ein solches Signal selbst mit Furcht reagieren, darüber geben die Hirnstrommuster jedoch keinen Aufschluss. „Es ist anhand unserer Daten schwierig zu interpretieren, was die Säuglinge fühlten“, sagt Sarah Jessen vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig. „Wir konnten aber immerhin zeigen, dass schon bei sehr jungen Kindern ein schneller und verlässlicher Mechanismus existiert, um soziale Signale zu erkennen.“