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Umweltgift Benzopyren kann mit neuer Methode schneller bioanalytisch festgestellt werden

Antikörper gegen krebserregenden Stoff entschlüsselt

Sommer ist Grillzeit. Allerdings entsteht bei der Reaktion von Fett mit glühender Kohle ein Stoff, den Chemiker Benzopyren nennen. Ein Umweltgift, das beim Menschen Krebs auslösen kann. Da über viele Jahrzehnte Häuser mit Kohle oder Holz beheizt wurden, ist es über den Schornsteinrauch in Böden und im Grundwasser eingelagert. Ein Team um Prof. Arne Skerra von der Technischen Universität München (TUM) hat den Bindungsmechanismus eines Antikörpers an Benzo[a]pyren entschlüsselt. Eine Entdeckung, die den Weg frei machen könnte für den einfacheren Nachweis und damit das Entfernen des Giftstoffes.

Beim unvollständigen Verbrennen von organischen Stoffen entstehen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Bekanntester Vertreter dieser Gruppe ist das Benzpyren oder Benzo[a]pyren (BaP) wegen seiner hohen Toxizität und relativ guten Nachweisbarkeit. Daher wird es als Marker für das Vorkommen von PAK allgemein benutzt. Die Stoffklasse der PAK wird in unserem Körper zu Molekülen umgebaut, die Änderungen am Erbgut (Mutationen) hervorrufen können, welche sich im schlimmsten Falle zu Tumoren weiterentwickeln. Deshalb gelten die PAK als Schadstoffe oder Umweltgifte.

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Biosprit aus Abfällen

Zeolith-Katalysatoren ebnen den Weg für dezentrale chemische Prozesse

Sprit aus Abfall? Ist machbar. Doch Biomüll in Treibstoffe umzuwandeln, ist bisher kaum konkurrenzfähig. Zu hohe Temperaturen und zu viel Energie sind nötig. Mit einem neuen Katalysatorkonzept ist es Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) jetzt gelungen, Temperatur und Energiebedarf eines wichtigen Schrittes im chemischen Prozess entscheidend zu senken. Der Trick: Die Reaktion findet auf engstem Raum, im Inneren von Zeolith-Kristallen statt.

Immer mehr Strom wird dezentral erzeugt – durch Windräder, Wasserkraft und Solaranlagen. «Da liegt es nahe, auch die Chemieproduktion zu dezentralisieren», meint Prof. Johannes Lercher, der an der TU München den Lehrstuhl für Technische Chemie II leitet. «Theoretisch könnte jede Gemeinde ihren eigenen Sprit oder ihren eigenen Dünger herstellen.»
Bisher ist dies nicht möglich, weil chemische Prozesse viel Energie benötigen – mehr als die regenerativen Energiequellen vor Ort liefern. «Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, durch neue Prozesse die Voraussetzungen für eine dezentrale chemische Produktion zu schaffen, die durch alternative Energiequellen gespeist werden kann», erklärt der Chemiker, der in Personalunion Direktor des amerikanischen Institute for Integrated Catalysis an Pacific Northwest National Laboratory ist.
Eine Grundlage für die Wende in der chemischen Produktion hat sein Team jetzt geschaffen: Im Labor konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich mit Hilfe von Zeolith-Kristallen in wässriger Lösung die zur Spaltung von Kohlenstoff-Sauerstoff Bindungen notwendige Temperatur drastisch senken lässt. Zeolith-Katalysatoren beschleunigen den Prozess darüber hinaus erheblich.

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Einzelne Zellen auf dem Präsentierteller

Je mehr Tumorzellen sich im Blut auf Wanderschaft befinden, desto größer die Gefahr einer Metastasenbildung. Im Blut zirkulierende Tumorzellen sind ein wichtiger Indikator dafür, ob und wie eine Therapie wirkt. Fraunhofer-Forscher haben jetzt einen Mikrolochchip entwickelt, der eine zuverlässige Identifizierung und Charakterisierung der Zellen ermöglicht – und das innerhalb von nur wenigen Minuten.

Mit dem herkömmlichen Analyseverfahren FACS (fluorescence-activated cell sorting) lässt sich die Anzahl der im Blut zirkulierenden Tumorzellen nur grob bestimmen. «Bei FACS werden die Zellen farblich markiert, sortiert und in verschiedenen Behältern gesammelt», erklärt Dr. Thomas Velten, dessen Team den neuen Mikrolochchip am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT entwickelt hat. Das Problem: Die Anzahl der Farben für die Markierung ist begrenzt. «Irgendwann überlappen sie sich und man kann sie nicht mehr voneinander unterscheiden. Außerdem gibt es nicht für alle Tumorzellen gute Marker, daher werden sie mit FACS nicht erfasst.» Weiterhin lässt sich beim FACS ein Messergebnis nicht eindeutig einer bestimmten Zelle zuordnen, da der Auffangbehälter Tausende von Zellen enthält.

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Goldenes «Nano-Schachbrett» für zukünftige Technologien

Eine Goldoberfläche, auf der sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren zu einem Nano-Schachbrettmuster selbst anordnen, stellt den ersten sogenannten ebenen Ferrimagneten dar. Die Existenz solcher zweidimensionaler magnetischer Systeme wurde bisher ausgeschlossen. Dank geschickter Materialwahl wurde dies nun von einer internationalen Forschergruppe mit Berner Beteiligung möglich gemacht.
Ferrimagnete zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwei verschiedene Arten von magnetischen Zentren besitzen, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Das Besondere an zweidimensionalen Ferrimagneten ist, dass bei der ebenen Anordnung der Magnetzustand der einzelnen Moleküle ausgelesen werden kann. Jedes dieser magnetischen Moleküle bildet so eine kleinste magnetische Speichereinheit.
Diese neuartigen Strukturen könnten in der Quantentechnologie zum Einsatz kommen –  etwa beim Ein- und Ausschalten des Magnetzustandes eines einzelnen Moleküls und somit seines Informationsgehaltes. Wichtig ist, dass dies nun auf einer ebenen Schicht von Molekülen möglich ist, und somit eine höchste Speicherdichte vorliegt.

Ein internationales wissenschaftliches Konsortium mit Schweizer Beteiligung von der Universität Bern, des Paul Scherrer Instituts (PSI) und des «Swiss Nanoscience Institut» (SNI) an der Universität Basel konnte nun im Wissenschaftsjournal «Nature Communications» die magnetischen Eigenschaften eines Nano-Schachbretts auf einer Goldoberfläche belegen. Diese Erkenntnis ist überraschend, weil grundsätzliche Kriterien die Herstellung eines solchen sogenannten zweidimensionalen Ferrimagneten bisher ausschlossen. Durch eine geschickte Materialwahl wurde dies nun doch ermöglicht.

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