Blickpunkt

Der Filmregisseur und -produzent James Cameron besuchte im vorigen Jahr als dritter Mensch (und als erster seit dem Jahr 1960) den Boden des Marianengrabens. Obwohl wir also immer noch wenig darüber wissen, was auf jenen 72 % der Erdoberfläche vorgeht, die von Ozeanen bedeckt sind, wissen wir immerhin, dass es dort in den tiefsten Abgründen und im Sediment selbst Leben gibt. Zwar dringt kein Sonnenlicht in jene Tiefen vor, und die Versorgung mit organischen Nährstoffen ist nicht großzügig bemessen, aber chemisch versierte Mikroben nutzen Redoxreaktionen zwischen reduzierten Verbindungen aus der Erdkruste (Sulfide, Methan) und Oxidationsmitteln aus dem Meerwasser (Sauerstoff, Sulfat), um Energie zu gewinnen.
Unter geeigneten Bedingungen, etwa in der Umgebung von Hydrothermalschloten, ernährt die Chemosynthese ganze Ökosysteme. Zwei in kurzem Abstand erschienene Publikationen zeigen nun neue Aspekte der Redoxchemie am Meeresboden, die auch für das Klimageschehen und damit für uns Landratten relevant sind.


<h2>Archäen als Klimaretter</h2>
Sedimente am Meeresboden enthalten gewaltige Mengen Methan. Würde dieses austreten, dann könnte es eine katastrophale Erwärmung auslösen. Es gibt Hinweise darauf, dass dieser Fall in der wechselhaften Geschichte des Erdklimas durchaus schon vorkam.
Unsere Schutzengel, die dies zumindest in den letzten 35 Millionen Jahren verhindert haben, sind Mikrobengemeinschaften, die das Methan in den oberen Schichten der Sedimente oxidieren und verstoffwechseln. Der überwiegende Anteil des Methans wird dabei auf anaerobe Weise abgebaut, also in Abwesenheit von Sauerstoff, mit der anaeroben Oxidation (AOM).
Bisher glaubte die Wissenschaft, dass für diesen Prozess immer eine Mikrobengemeinschaft erforderlich ist, die sowohl Methan oxidierende Archäen als auch Sulfat reduzierende Bakterien enthält (Abbildung 1). Dies folgerten die Forscher daraus, dass Mikroorganismen beider Sorten gewöhnlich gemeinsam auftraten und sich mit gleicher Geschwindigkeit vermehrten. Auch fehlten den Methan oxidierenden Archäen die Enzyme, die gewöhnlich zur Sulfatreduktion gehören. Jana Milucka und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen wiesen allerdings nach, dass die Archäen die Redoxchemie der AOM alleine meistern können.1 Die Bremer hatten Sedimentproben von dem Schlammvulkan Isis, der im Mittelmeer vor der Küste Ägyptens liegt, acht Jahre lang im Labor kultiviert, um die für AOM zuständige Mikrobengemeinschaft möglichst rein zu erhalten.
Mit Isotopenmarkierung und Untersuchungen an einzelnen Zellen fanden sie heraus, dass die Archäen aus der großen Gruppe ANME-2 auch ohne die bakteriellen Partner Methan oxidieren können. Sie gleichen das Redoxpotenzial aus, indem sie Schwefel aus Sulfationen (+6) auf die Oxidationsstufe Null reduzieren, also zu Di- und Polysulfiden und elementarem Schwefel. Diese Entdeckung einer neuen Stoffwechselreaktion beantwortet auch die seit Jahrzehnten ungeklärte Frage nach der Herkunft des elementaren Schwefels in solchen anaeroben Sedimenten.
Eine zweite überraschende Entdeckung machten Milucka et al., als sie sich die Rolle der Bakterien näher ansahen. Diese verarbeiten nämlich den Schwefel der Oxidationsstufe Null, indem sie ihn disproportionieren. Sie produzieren also Sulfat, das die Archäen ihrerseits wieder reduzieren, und die stöchiometrisch entsprechende Menge an Sulfid.
Diese exotisch anmutende Redoxchemie ist vermutlich keine Seltenheit. Ähnliche anaerobe Sedimente finden sich vielerorts am Meeresboden und AOM setzt 90 % des austretenden Methans um. Man schätzt, dass sich das Phänomen auf 300 Millionen Tonnen Methan pro Jahr beläuft. Die Bedeutung dieses mikrobiellen Klimaschutzes ist also enorm, insbesondere in unserer Zeit, da wir mit der rasanten Zunahme von anthropogenen Treibhausgasen zu kämpfen haben und Verstärkungseffekte aus geobiologischen Systemen befürchten müssen.


<h2>Bakterien auf Draht</h2>
Die Arbeitsgruppen von Nils Risgaard-Petersen und Lars Peter Nielsen von der Universität Aarhus in Dänemark kultivierten Sedimente aus der Bucht von Aarhus.2 Auch die Dänen interessierten sich für Redoxreaktionen, und zwar spezifisch dafür, wie der beobachtete Abstand von ein bis zwei Zentimetern zwischen der Reduktion des Sauerstoffs an der aeroben Oberfläche des Sediments und der Oxidation von Sulfiden im anaeroben Inneren des Meeresbodens zu überbrücken ist.
Sie reproduzierten die charakteristische Schichtstruktur durch Inkubation von Sedimentproben. Als sie eine Probe des Materials, das die mysteriöse Fernwirkung aufwies, reinigten, fanden sie Bakterienfilamente von bis zu 1,5 Zentimetern Länge (Abbildung 2). Es handelte sich um eine bisher unbekannte Art aus der Familie Desulfobulbaceae in der Klasse der Deltaproteobacteria.
Diese mikrobiellen Fasern vermittelten den Ladungstransport zwischen den beiden Hälften der Redoxreaktion. Wenn die Forscher zum Beispiel horizontal durch die Sedimentprobe schnitten, kam der Ladungsausgleich für längere Zeit zum Erliegen. Experimente mit Filtern verschiedener Porengröße zeigten, dass die Ladungsträger von der Größe der Filamente waren und nicht etwa gelöste Ionen. Strukturuntersuchungen ergaben, dass die Bakterienzellen eines solchen Filaments sich die äußere Membran teilen. Elektronenmikroskopie an Faserquerschnitten zeigte, dass sich zwischen der gemeinsamen Außenmembran und der inneren Membran des einzelnen Bakteriums jeweils 15 oder 17 Kanäle mit einem Durchmesser von 70 bis 100 Nanometern befanden.
Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass diese Kanäle die elektrischen Leiter sind, die den Elektronentransport zwischen den chemisch unterschiedlichen Schichten des Sediments vermitteln. Sie stellen sich das so vor, dass dasselbe Bakterienfilament am unteren (anaeroben) Ende Sulfide oxidiert, die frei werdenden Elektronen durch die Kanäle zum oberen (aeroben) Ende transportiert und dort den Sauerstoff reduziert. Zum Ladungsausgleich diffundieren Eisenionen.3


<h2>Vorstoß ins Unbekannte</h2>
Selbst elementare Fragen danach, welche Mikroben in welchen Lebensräumen vorkommen, sind am Meeresboden schwer zu untersuchen und bleiben deswegen weit gehend unbeantwortet. Die Arbeitsgruppen von Steffen Leth Jørgensen vom Zentrum für Geobiologie der Universität Bergen und Christa Schleper von der Universität Wien erstellten erstmals eine systematische Zuordnung von Mikrobengemeinschaften zum geologischen Umfeld über zahlreiche Schichten.4
Die Forscher wählten einen Standort zwischen der Ostküste Grönlands und Norwegen, wo wechselnde Materiallieferungen von einer Flussmündung und von einem nahegelegenen Feld von Hydrothermalschloten zu einer vielschichtigen Struktur führen. An zwei Standorten, jeweils 15 Kilometer von den Hydrothermalschloten entfernt, führten die Forscher Bohrungen bis in drei Meter Tiefe durch. In den Bohrkernen fanden sie 15 geologische Schichten und identifizierten die darin vorkommenden Arten anhand der Gensequenzen der ribosomalen RNA.
Welche Arten in einer gegebenen Sedimentschicht angetroffen werden, so die Erkenntnis aus diesen Analysen, hängt vor allem von der Verfügbarkeit von organischem Kohlenstoff und von Mineralien wie Eisen und Mangan ab. Im Gegenzug beeinflussen die Mikroben selbst die chemische Zusammensetzung der Sedimente, etwa das Vorkommen von Sulfaten.
Solche Verallgemeinerungen helfen, Hypothesen über die unermesslichen Weiten des Meeresbodens zu erzeugen, die nicht direkt erforscht wurden. Da der Meeresboden eine Schlüsselposition in der globalen Redoxchemie unseres Planeten und damit auch für die Zusammensetzung unserer Atmosphäre hat, ist jeder Einblick, den wir in seine geobiologische Funktion gewinnen, wichtig.
Michael Groß ist freier Wissenschaftsautor in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

 
J. Milucka, 
T. G. Ferdelman, 
L. Polerecky et al., 
<source>Nature 
(2012), 
491, 
541. 
</li>
<li>
2 

 
C. Pfeffer, 
S. Larsen, 
J. Song et al., 
<source>Nature 
(2012), 
491, 
218.
</li>
<li>
3 

 
N. Risgaard-Petersen, 
A. Reviel, 
P. Meister, 
L. P. Nielsen, 
<source>Geochim. Cosmochim. Acta 
(2012), 
92, 
1.
</li>
<li>
4 

 
S. L. Jorgensen, 
B. Hannisdal, 
A. Lanzén et al., 
<source>Proc. Natl. Acad. Sci. USA 
(2012), 
109, 
E2846.
</li>
</ul>

Artikel

Neuartige Redox‐Biochemie im Meeresboden

Der Filmregisseur und -produzent James Cameron besuchte im vorigen Jahr als dritter Mensch (und als erster seit dem Jahr 1960) den Boden des Marianengrabens. Obwohl wir also immer noch wenig darüber wissen, was auf jenen 72 % der Erdoberfläche vorgeht, die von Ozeanen bedeckt sind, wissen wir imm...

Während es früher Spezialisten vorbehalten war, komplexe molekulare Simulationen durchzuführen, gehören solche Rechnungen heute zum Standardrepertoire der meisten synthetisch oder ingenieurwissenschaftlich arbeitenden Wissenschaftler. Häufig untermauern theoretische Rechnungen experimentelle Arbeiten. Jedoch erweist sich der Umgang mit den Programmen für molekulare Simulationsrechnungen wegen der zu Grunde liegenden Theorien als schwierig. Oft sind mehrere Programme notwendig. Aufwendigere Rechnungen erfordern den Zugang zu Hochleistungsrechnern.
Mosgrid unterstützt innerhalb einer Grid-Infrastruktur (siehe Kasten S. 138) die Domänen Quantenchemie, Molekulardynamik und Docking.1 Anwender können komplexe Berechnungen durchführen, ohne die genaue Eingabesyntax der bereitgestellten Programme zu kennen oder die Ergebnisse der Berechnungen aus den oft langen Ausgabedateien zu extrahieren. Einfache Berechnungen, aber auch komplexere Folgen von Einzelrechnungen werden dabei in Form von Workflows zugänglich, die das Mosgrid-Konsortium oder erfahrene Nutzer erzeugen und modifizieren können. Als Ergebnis der Berechnungen stehen dann die Ausgabedateien der verwendeten Programme zur Verfügung. Zusätzlich werden die Hauptergebnisse der Rechnungen extrahiert und zusammengefasst.


<h2>Flexibel</h2>
Mosgrid erzeugt sowohl einfache als auch komplexe Eingabefiles und leitet sie in das Grid weiter. Das Programm legt die für eine Rechnung notwendigen Eingabedaten nicht in der programmspezifischen Syntax, sondern in einer für diesen Zweck in Mosgrid entwickelten Beschreibungssprache ab (molecular simulation markup language, MSML). Die Eingabedateien entstehen erst im Workflow intermediär.
Die Ergebnisse der Rechnungen sind nicht nur in den originalen Ausgabedateien verfügbar, sondern auch aufgearbeitet im MSML-Format im Mosgrid-Speicher (Repositorium). Dieser speichert die gerechneten Daten dauerhaft in originären Files und als suchbare MSML-Daten.
Zudem lassen sich die Workflows als Rechenrezepte ablegen und weitergeben. Dies macht das System flexibel, denn es gibt in vielen Fällen mehrere Programme für ein und dieselbe Rechnung.


<h2>Quantenchemie</h2>
Quantenchemische Rechnungen sollen z. B. die geometrische Struktur oder Schwingungsfrequenzen und andere spektroskopische Signaturen auf Basis von Elektronenstrukturberechnungen vorhersagen. Die Energetik von Reaktionen sowie den Reaktionsverlauf erfassen Ab-initio-Methoden oder die Dichtefunktionaltheorie (DFT). Eine Schwierigkeit liegt aber immer noch bei paramagnetischen Molekülen und Komplexen mit Übergangsmetallen.
In der Mosgrid-Domäne Quantenchemie ist zurzeit das Programmpaket Gaussian 09 implementiert.2 Bald werden Turbomole und NWChem folgen.
Mosgrid unterstützt mit Eingabemasken Hartree-Fock(HF)-Rechnungen, Post-HF-Methoden und DFT. Komplexere Rechnungen enthalten zudem die automatische Frequenzanalyse, Methoden der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (time-dependent density functional theory, TDDFT) für UV/Vis-Spektren sowie die Analyse der natürlichen Bindungsorbitale (NBO).
Workflows können in einem grafischen Workflow-Editor im Mosgrid-Portal zusammengesetzt und gespeichert werden. Erfahrene Anwender übermitteln direkt selbst erstellte Eingabedateien.


<h2>Moleküldynamik</h2>
Molekulardynamische (MD)-Simulationen eignen sich dazu, die Eigenschaften von größeren Molekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren zu studieren. Im Fokus stehen dabei neben geometrischen Aspekten wie Öffnen und Schließen einer Proteinbindungstasche thermodynamische und kinetische Größen wie die Geschwindigkeitskonstanten bei Proteinfaltungen. Mosgrid unterstützt derzeit Simulationen mit dem Programmpaket Gromacs.3 Programme wie Desmond, NAMD und Amber folgen.
Unabhängig vom Programm sind allen MD-Simulationen einige Arbeitsschritte gemeinsam, die über Workflows abgebildet werden. So muss der Nutzer zunächst das zu simulierende Molekülsystem vorbereiten und eine periodische Simulationsbox mit Wasser und Gegenionen füllen, um anschließend eine Energieminimierung durchzuführen. Es bietet sich an, anschließend mit Position-Constraints zu equilibrieren. Für Varianten dieses Protokolls sind mehrere Workflows verfügbar, welche die mitunter mühsame Systemvorbereitung auf wenige Mausklicks reduziert.
Vorgefertigte Workflows können nicht alle Anwendungsfälle abdecken. Deshalb ist es möglich, selbst erstellte Jobbeschreibungen (Gromacs — topol.tpr) zu übermitteln.


<h2>Docking</h2>
Docking soll die Konformation eines Liganden-Rezeptor-Komplexes bestimmen und die Bindungsenergie vorhersagen. Dieser Methode ermittelt effizient Moleküle, die an therapeutisch relevante Targets binden. Mosgrid enthält Workflows für computergestütztes Medikamentendesign (computer aided drug design, CADD) im Rahmen der CADD-Suite, die ein Teil des Open-Source-Projekts Biochemical Algorithms Library (Ball) ist.4 Dieses Dockingtool zeichnet sich vor allem durch seinen modularen Aufbau aus. So lassen sich effizient große Ligandendatenbanken zerlegen und auf verteilten Gridressourcen bearbeiten. Demnächst werden Autodock und Flexx als weitere Dockingalgorithmen integriert. Dies wird den Vergleich verschiedener Methoden erleichtern und die Robustheit der Ergebnisse unterstützen.


<h2>Analyse und Visualisierung</h2>
Alle Domänen bieten eine Visualisierung. So lassen sich alle Arten von molekularen Systemen darstellen über Chemdoodle, ein vom Betriebssystem unabhängiges Programm zum Erstellen, Bearbeiten und Verwalten von Molekülmodellen (Abbildung 1). Diese auf WebGL und HTML5 basierende Technik ermöglicht eine qualitativ so hochwertige Darstellung, wie sie sonst nur von Modellingsoftware bekannt ist. Außerdem können alle Arten von Ergebnisdaten angezeigt werden. So sind zum Beispiel die Wurzeln der mittleren quadratischen Abweichung (RMSD) oder Energieplots direkt einsehbar — ohne Download oder externe Programme (Abbildung 2).
Mosgrid ist für die akademische Nutzung in Betrieb. An Erweiterungen wird in allen drei Domänen weiterhin gearbeitet. Mit dem Ablauf der D-Grid-Initiative wird Mosgrid in der nationalen Grid-Initiative für Deutschland (NGI-DE) an die Anforderungen, Strukturen, Prozesse und Abläufe des europäischen Grids (european grid infrastructure, EGI) angepasst.
Sonja Herres-Pawlis ist Chemikerin und arbeitet mit ihrem Arbeitskreis an der Ludwig-Maximilians-Universität München zu nachhaltiger Polymerisationskatalyse sowie zur bioanorganischen Kupferchemie. <a href="mailto:sonja.herres-pawlis@tu-dortmund.de">sonja.herres-pawlis@tu-dortmund.de</a> Jens Krüger ist als Chemiker und Bioinformatiker an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen tätig und beschäftigt sich neben Portalen mit der Simulation von Membranproteinen. Lars Packschies ist als Chemiker am Regionalen Rechenzentrum der Universität Köln für die Bereitstellung chemiebezogener Software und die Betreuung ihrer Nutzer zuständig.


<h2>CAS mit der 70-millionsten Substanz</h2>
Patente aus asiatischen Ländern sind weiterhin die größte Quelle für chemische Entdeckungen. Der Chemical Abstracts Service (CAS) registrierte die 70-millionste Substanz, die aus einem Patentantrag des koreanischen Patentamts stammt. Den potenziellen Calciumkanalblocker des Typs T entdeckten Forscher am koreanischen Wissenschafts- und Technologieinstitut. Die Substanz mit der CAS Registry Number 1411769—41—9 ist eine von mehreren Pyrazolyl-Piperazin-Verbindungen, die Gegenstand eines Patentantrags vom 14. November 2012 sind. Das Molekül könnte für die Behandlung von Epilepsie, Parkinson, Demenz und weiteren Krankheiten nützlich sein.
Christine McCue, Vizepräsidentin des Marketingbereichs von CAS sagte dazu: “Angesichts unserer vorherigen Meldungen, dass asiatische Wissenschaftler in Patentanträgen zunehmend chemische Forschungsarbeiten offenlegen, ist es toll, dass dieser Meilenstein mit einer Substanz aus einem koreanischen Patent erzielt wurde.”
63 Prozent der von CAS im Jahr 2012 bearbeiteten chemischen Patentanträge stammen aus Asien. Über 70 Prozent aller neuen Substanzen, die auf Literatur aus dem Jahr 2012 zurückgehen, stammen aus Patenten.
Die 60-millionste Substanz registrierte CAS im Mai 2011 [Nachr. Chem. 2011, 59, 738].
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.cas.org" target="_blank">www.cas.org</a></ext-link>


<h2>Alles veröffentlichen im wissenschaftlichen Netz</h2>
Wissenschaftler können auf Researchgate ihre gesamte Forschungsarbeit präsentieren. Ein neues Feature erlaubt das Hochladen aller Daten — unabhängig davon, ob sie zuvor in einem Fachjournal erschienen sind oder nicht. So lassen sich beispielsweise Rohdaten veröffentlichen. Alle Dokumente erhalten ihre eigene HTML-Seite und sind zitierbar. Fachkollegen können sich darauf beziehen und die Arbeiten bewerten [Nachr. Chem. 2012, 60, 1012].
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.researchgate.net" target="_blank">www.researchgate.net</a></ext-link>


<h2>Plagiate erkennen</h2>
Debora Weber-Wulff, Plagiatforscherin an der Berliner Hochschule für Technik und Wirtschaft, testet Plagiaterkennungssoftware. Die fünfte Testreihe fokussierte auf Zitierkartelle (Kollusionen). Bei einer Kollusion veröffentlichen mehrere Autoren den gleichen Text. Sie kommt sowohl bei Aufsätzen als auch in einem Programmcode vor. Weber-Wulff testete 18 von 33 auf dem Markt verfügbaren Produkten. Bei Textvergleichen sind vier Systeme nützlich: Turnitin, Ephorus, Splat und JPlag. Bei gleichen Programmcodes sind JPlag, Moss, Sim_Text und Splat immerhin teilweise nützlich. Fazit: Für das Aufspüren von Zitierkartellen gibt es Software; es gibt allerdings kein System, das sowohl für Texte als auch für Programmieraufgaben tauglich ist. Weber-Wulff empfiehlt, Plagiaterkennungssysteme nur bei konkretem Verdacht zu verwenden. Über richtiges Arbeiten aufzuklären, sei sinnvoller als Eingereichtes zu durchsuchen.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://plagiat.htw-berlin.de" target="_blank">http://plagiat.htw-berlin.de</a></ext-link>


<h2>Auf einen Blick</h2>
“Mosgrid — Molecular Simulation Grid” ist ein Projekt der Grid-Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Die Initiative fördert mehrere Projekte, die sich mit dem Aufbau einer verteilten Rechnerinfrastruktur befassen, und sie stellt Dienste für deren Betrieb bereit. Darauf aufbauend machen Projekte Wissenschaftlern die Grid-Infrastruktur verfügbar. Anbieter von Rechenressourcen für die Grid-Initiative sind Universitätsrechenzentren. Ein Anwender kann Rechenleistung abrufen, wenn er sie benötigt, ohne selbst Rechner zu betreiben. Die Rechenleistung steht dem Nutzer ortsunabhängig zur Verfügung. Für den Zugang zum Grid ist ein elektronisches Zertifikat des deutschen Forschungsnetzvereins oder des Grid Computing Centers Karlsruhe notwendig. Angehörige akademischer Einrichtungen erhalten dieses auf unkompliziertem Weg.
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.mosgrid.de" target="_blank">www.mosgrid.de</a></ext-link>



<ul>
<li>
1 

S. Gesing, R. Grunzke, J. Krüger et al. J. Grid Comp. (im Druck) 2013.
</li>
<li>
2 


M. J. Frisch, 
G. W. Trucks, 
H. B. Schlegel et al., 
<publisher-name>Gaussian, Inc.</publisher-name>, <publisher-loc>Wallingford CT</publisher-loc>, 2010.

</li>
<li>
3 

 
B. Hess, 
C. Kutzner, 
D. van der Spoel, 
E. Lindahl, 
<source>J. Chem. Theory Comput. 
(2008), 
4, 
435.
</li>
<li>
4 

 
A. Hildebrandt, 
A. K. Dehof, 
A. Rurainski et al., 
<source>BMC Bioinformatics, 
(2010), 
11, 
531.
</li>
</ul>

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