Wissenschaft + Forschung

Applikationsart beeinflusst Wirksamkeit der Tuberkulose-Impfung | Wie eine Studie an nichtmenschlichen Primaten zeigt, ist eine Tuberkulose-Impfung dann besonders wirksam, wenn der Impfstoff direkt in die Vene gespritzt wird statt in Haut oder Muskel. Gelangt der Impfstoff direkt ins Blut, bilden sich in der Lunge mehr T-Zellen, die den Krankheitsauslöser Mycobacterium tuberculosis neutralisieren.<ul><li>
1 Nature 2020, 577, 95</li></ul>
Weniger Angst durch Mensch an der Seite | Die bloße Präsenz einer unbekannten Frau genügt, um Frauen in angsteinflößenden Situationen zu beruhigen. Dies haben Forscher der Universität Würzburg ermittelt, indem sie die physiologische Anspannung über den Hautwiderstand gemessen haben. Die Studie soll nun mit Männern sowie Männern und Frauen wiederholt werden.<ul><li>
2 Proc. R. Soc. B 2020, 287, 20192241</li></ul>
Menschen sind kälter geworden | Die Normaltemperatur menschlicher Körper ist in den letzten 150 Jahren um 0,03 °C pro Dekade gesunken – das heißt von 37 °C auf etwa 36,6 °C. Dies hat ein kalifornisches Forscherteam ermittelt. Möglicherweise sei dafür verantwortlich, dass es weniger chronische Infektionen wie Tuberkulose gibt, die die Temperatur heben. Da die Forscher keine Daten aus den 1940er Jahren nutzten – seit diesem Zeitpunkt werden Antibiotika eingesetzt –, lässt sich diese Hypothese nicht beweisen.<ul><li>
3 Nature 2020, 577, 306</li></ul>
Luftverschmutzung verkürzt Leben von Europäern | Nach Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemie und der Universitätsmedizin Mainz verringert Luftverschmutzung die Lebenserwartung im globalen Durchschnitt stärker als beispielsweise Rauchen oder Aids. Nach der Studie verursachte Luftverschmutzung im Jahr 2015 weltweit 8,8 Millionen vorzeitige Todesfälle, das entspricht einer durchschnittlich um 2,9 Jahre verkürzten Lebenserwartung. Am höchsten ist die vorzeitige Sterblichkeit in Ost- und Südasien (35 beziehungsweise 32 %), es folgen Afrika (11 %) und Europa (9 %). Die Forscher berücksichtigten sowohl natürliche Emissionen als auch solche anthropogenen Ursprungs. Nach den Ergebnissen seien 5,5 Millionen der Todesfälle vermeidbar, denn der Großteil verschmutzter Luft entstammt fossilen Brennstoffen.<ul><li>
4 Cardiovas. Res. 2020, doi <ext-link ext-link-type="doi">10.1093/cvr/cvaa025</ext-link></li></ul>
Bluthochdruck behandeln, Demenz verhindern | Nach der Metaanalyse eines internationalen Neurologenteams schützt eine medikamentöse Blutdrucksenkung vor Demenz oder Alzheimer: Bei Menschen, deren Bluthochdruck mit Medikamenten auf unter 140 zu 90 mm Hg-Säule sinkt, werden auch die Risiken für Demenz und Alzheimer kleiner (12 % beziehungsweise 16 %). Dabei ist unerheblich, aus welcher Medikamentenklasse – also etwa ACE-Hemmer oder Betablocker – das Mittel stammt.<ul><li>
5 Lancet Neurol. 2020, 19, 61</li></ul>
Fehlender Ligand ändert Eigenschaften von Killerzellen | Der Todesligand Trail, ein Protein auf der Oberfläche von Zellen des angeborenen Immunsystems (NK-Zellen), wirkt in einer Form auf Viruserkrankungen, die für die Krebsbekämpfung wichtig sein könnte. Wie Forscher der Universität Bern ermittelten, bekämpfen Mäuse ein nagerspezifisches Virus besser, wenn ihre NK-Zellen kein Trail tragen. Durch das fehlende Protein werden die NK-Zellen umprogrammiert, was wichtig sein könnte, da diese auch Tumorzellen kontrollieren.<ul><li>
6 Embo Rep. 2020, 21, e48789</li></ul>
Forschung an menschlichen Immunzellen | Forscher, die menschliche Immunzellen untersuchen, können nun neben Zellen aus dem Blut auch solche aus Rachenmandeln nutzen. Mit Rachenmandelgewebe, das bei einer gewöhnlichen Mandelentfernung anfällt, lassen sich nicht nur die Mechanismen der Immunantwort untersuchen, sondern auch neue Medikamente auf ihre Wirkung testen. Dass das Modell funktioniert, wiesen Wissenschaftler der LMU München mit zugelassenen Substanzen nach.<ul><li>
7 EBioMedicine 2020, 53, 102684</li></ul>
Eliza Leusmann

Meldung

Medizinische Forschung: Menschen und Zellen

Applikationsart beeinflusst Wirksamkeit der Tuberkulose-Impfung | Wie eine Studie an nichtmenschlichen Primaten zeigt, ist eine Tuberkulose-Impfung dann besonders wirksam, wenn der Impfstoff direkt in die Vene gespritzt wird statt in Haut oder Muskel. Gelangt der Impfstoff direkt ins Blut, bilden...

Wie sich Atome und Moleküle auf kristallinen Oberflächen bewegen, bestimmt oft die Kinetik chemischer Reaktionen. Experimentelle Untersuchungen hierzu sind selten, da die verfügbaren Techniken oft auf wenige Systeme beschränkt sind. Eine Ausnahme ist die Helium-Spin-Echo-Spektroskopie.
Bisher war es vor allem mikroskopischen Techniken wie Rastertunnelmikroskopie vorbehalten, die Bewegung von Molekülen auf Oberflächen zu erfassen. Rastertunnelmikroskopie nimmt mikroskopische Bilder während der Bewegung der Moleküle auf. Allerdings sind hierfür üblicherweise besonders tiefe Temperaturen notwendig (um 20 K) – die Bewegung wird sozusagen eingefroren. Sie muss so verlangsamt werden, dass die Moleküle während der Erfassung des Bildes nicht verschwommen erscheinen.1) Zudem beeinflusst der Tunnelstrom fragile Moleküle wie Wasser.2)Um die Bewegung von Molekülen auf einer Oberfläche zu ermitteln, gibt es eine relativ neue Technik: die experimentelle Helium-Spin-Echo(HeSE)-Spektroskopie.3) Sie basiert auf der Streuung von Heliumatomen mit einer Energie von wenigen Millielektronenvolt. Dadurch detektiert sie die Bewegung isolierter Wassermoleküle, ohne diese zu beeinflussen.HeSE-Spektroskopie ist die momentan einzige verfügbare experimentelle Methode, die Molekülbewegungen auf Oberflächen innerhalb von Piko- bis Nanosekunden messen kann.4,5)<h2>Geschwindigkeit messen</h2>Beispiel für die Oberflächendiffusion von Molekülen ist die Bewegung von Wasser auf einer Oberfläche aus Graphen (Abbildung 1). Hier verbringt das Wassermolekül zirka 60 Pikosekunden im Zentrum eines Graphensechsecks, bevor es in das nächste Sechseck springt. Viel Zeit bleibt also nicht, um das Molekül abzubilden, und dies bei einer Temperatur von 125 K (etwa –150 °C).6)<figure><img src="https://media.graphcms.com/qWJSriQgTqilMkBZAYWg"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Die Diffusion von Wassermolekülen auf einer Graphenoberfläche: Die Moleküle springen zwischen den Zentren der Sechserringe und verweilen zwischen den Sprüngen für rund 60 Pikosekunden.</figcaption></figure>
Bei Zimmertemperatur würden sich diese Moleküle mit einer Geschwindigkeit von 130 m · s–1 fortbewegen, also etwa 500 km · h–1. Während sich makroskopische Objekte mit solchen Geschwindigkeiten einfach messen lassen, bedeutet dies für unser Experiment: Bei einer Probenoberfläche mit 1 cm Durchmesser bleiben zirka 10–4 Sekunden, bis das Molekül diese Strecke zurückgelegt hat.Die Geschwindigkeit makroskopischer Objekte wird zum Beispiel mit Radartechnik bestimmt. Die HeSE-Spektroskopie nutzt einen ähnlichen Effekt, um Bewegungen auf atomarer Ebene mit Pikosekundenauflösung zu messen. Die Grundlage dafür liefert der Doppler-Effekt: Die Frequenz und damit Tonhöhe einer Schallquelle etwa eines Krankenwagens ändert sich, wenn sich dieser auf den Hörenden zubewegt.<h2>Ein Radar für Moleküle</h2>Die HeSE-Methode ähnelt der Spektroskopie von Molekülen in der Gasphase: Aufgrund der thermischen Bewegung entsteht hier ein Doppler-Effekt, der das Licht eines einzelnen Atoms oder Moleküls je nach Bewegungsrichtung rot- oder blau-verschiebt. Dieser Effekt, bekannt als Doppler-Verbreiterung und abhängig von der Temperatur, kommt auch bei der HeSE-Spektroskopie zum Tragen. Um die Bewegung von Teilchen auf einer Oberfläche zu messen, wird allerdings nicht Licht verwendet, sondern eine monochromatische Welle aus einem Helium-Atomstrahl.4,5) Dieser lässt sich vereinfacht als ebene Welle beschreiben, die von der Oberfläche gestreut wird.Abbildung 1a skizziert, wie ein sich bewegendes Wassermolekül eine ebene Welle streut. Da sich das Molekül im Beispiel von der einfallenden Welle wegbewegt, sind die Abstände zwischen den Wellenfronten nach der Streuung größer als zuvor. Aufgrund des Dopplereffekts ändert sich die Frequenz ω (Abstand zwischen den Wellenfronten). Weil sich Moleküle nach links und rechts bewegen, geschieht dies in beide Richtungen. Die Frequenz des einfallenden Strahls ω0 wird verbreitert, wenn diese im Vergleich zur einfallenden Welle aufgetragen wird (Abbildung 2b). Die Größe der Verbreiterung (Halbwertsbreite Δω) um die mittlere Frequenz ω0 ergibt sich aus der Geschwindigkeit, mit der sich die Moleküle bewegen: Je größer die Verbreiterung, desto schneller die Bewegung der Moleküle.<figure><img src="https://media.graphcms.com/SVk91R9UT6aRk6Eug4Vg"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Dopplerverbreiterung bei Streuung einer ebenen Welle an einem Molekül: a) In Analogie zum Dopplereffekt ändert sich die Frequenz der einfallenden Welle durch Streuung an dem sich bewegenden Molekül (Wasser) – hier etwas übertrieben durch den Abstand zwischen den Wellenfronten gezeigt. b) Die gestreute Welle wird im Vergleich zur einfallenden Welle um Δω (Halbwertsbreite) verbreitert.</figcaption></figure>
<h2>Frequenzänderung der gestreuten Welle</h2>Für das Messprinzip ist die Frequenz oder sind die Änderungen der Frequenz möglichst genau zu bestimmen. Aspekte dieser Technik hängen eng mit dem für Neutronenstreuung entwickelten Spin-Echo-Prinzip4,7) oder auch der Kernspinresonanz zusammen; man spricht deshalb von Helium-Spin-Echo(HeSE)-Spektroskopie.Verwendet wird das Heliumisotop 3He. Der ungepaarte Kernspin dient als Hilfsmittel, um winzige Frequenzänderungen zu messen, welche die Streuung an den sich bewegenden Molekülen kennzeichnen. Der Kernspin von 3He ist sozusagen eine Stoppuhr, die zeitliche Veränderungen im Piko- und Nanosekundenbereich erfasst.Das Prinzip ist in Abbildung 3 illustriert: Anstatt der Streuung einer einzelnen Welle, deren Frequenz schwierig zu bestimmen ist, wird der Verlust an Korrelation zwischen zwei gestreuten Wellenpaketen gemessen. Mit dem 3He-Strahl erzeugt man ein Wellenpaket. Dessen zwei Komponenten werden so getrennt, dass sie mit einem Zeitunterschied tSE auf der Oberfläche auftreffen (tSE ist die Spin-Echo Zeit).<figure><img src="https://media.graphcms.com/3qm6Yf0Qs2GZlUWevNtX"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Bewegung auf einer Probenoberfläche lässt sich mit der Streuung zweier Wellenpakete bestimmen, die mit einer zeitlichen Verzögerung tSE auf die Probe treffen. Rekombination der beiden gestreuten Wellenpakete führt zu einem Verlust an gemessener Korrelation – aufgrund einer Dopplerverbreiterung, da die Streuung an sich bewegenden Molekülen erfolgt. Obere Tafel: Die Linienbreite τ, die aus den gemessenen Daten (blaue Punkte) bestimmt wird, entspricht der Zeitskala der Molekülbewegung.</figcaption></figure>
Bleibt die Oberfläche unverändert, dann streuen beide Wellenpakete genau gleich. Werden die Wellenpakete nach der Streuung also wieder zusammengeführt, ergibt sich nach der Streuung derselbe Zustand wie davor. Bei Veränderung an der Oberfläche, also wenn sich Moleküle über die Oberfläche bewegen, streuen die beiden zu unterschiedlichen Zeiten auftreffenden Wellenpakete ebenfalls unterschiedlich. Werden diese danach wieder kombiniert, hat die Korrelation verglichen mit dem Ausgangszustand des einfallenden Wellenpakets abgenommen.Der zeitliche Abstand zwischen den Wellenpaketen (tSE) lässt sich nun durchstimmen; die nach der Streuung gemessenen Datenpunkte (blaue Punkte) zeigt die obere Tafel in Abbildung 3. Mit zunehmendem tSE nimmt die gemessene Korrelation stetig ab: Die Moleküle an der Oberfläche bewegen sich mit zunehmender Zeit immer weiter von ihrem Ausgangsort weg. Die Linienbreite (roter Doppelpfeil in der oberen Tafel in Abbildung 3) gibt an, nach welcher Zeit die Korrelation auf einen Bruchteil gesunken ist. Wie die Halbwertsbreite der gestreuten Welle Δω wird die Linienbreite τ durch die charakteristische Zeitskala bestimmt, mit der sich die Moleküle auf der Oberfläche bewegen. Das Messprinzip erfasst so Änderungen im Piko- bis Nanosekundenbereich.<h2>Wasser auf Oberflächen</h2>Vom Messprinzip zurück zur Bewegung von Wasser: Bei der Wechselwirkung von Wasser mit Oberflächen ist nach wie vor vieles unklar. Das Verhalten von Wasser auf atomarer Ebene zu verstehen, bleibt eine Herausforderung auch wenn man die Bewegung einzelner Wassermoleküle beobachten möchte. Denn die mikroskopische Bewegung von Molekülen auf Oberflächen dauert eben nur Pikosekunden.Diese Prozesse mit einem Heliumstrahl zu untersuchen, bietet mehrere Vorteile. Zum einen ist der chemisch, elektrisch und magnetisch inerte Heliumstrahl oberflächensensitiv, er dringt also nicht in das Material ein und wird direkt an der Oberfläche gestreut.8) Verglichen mit Wasser hat Helium einen großen Streuquerschnitt sowohl für Wasser- als auch für Sauerstoff,3,9) sodass sich auch Systeme mit wenigen Wassermolekülen studieren lassen (bis zu einer relativen Bedeckung von etwa 1 Prozent der Oberfläche mit Molekülen) und sich dennoch zeigt, was intermolekulare Wechselwirkungen auslösen. Zudem beeinflusst der Heliumstrahl das System nicht, da seine Energie weniger als 10 meV beträgt.<h2>Diffusion von Wasser auf einem topologischen Isolator</h2>Mi HeSE-Spektroskopie lassen sich die Mechanismen, die der Bewegung des Wassers zugrunde liegen, identifizieren und mit Vorhersagen über die Adsorptionsgeometrie und Energielandschaft für die Bewegung vergleichen. Die Bewegung von Wasser auf einem topologischen Isolator3) – also einem Kristall, der an der Oberfläche leitend und im Inneren nichtleitend ist, etwa Bi2Te3 – weist auf abstoßende Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen hin. Dies widerspricht der Erwartung, dass anziehende Kräfte das Verhalten und die Aggregation von Wasser dominieren.10)Der Energietransfer zwischen den Wassermolekülen und der Oberfläche, auf der sich diese bewegen, lässt sich qualitativ bewerten. Die Energietransferrate wird üblicherweise als Reibung auf atomarer Ebene behandelt, und zwar in Analogie zur Reibung im makroskopischen Maßstab, welche Bewegung behindert oder etwa im Winter bei Glatteis durchaus erwünscht ist. Die Oberfläche eines topologischen Isolators ist hier besonders interessant, da Reibungsmechanismen durch den elektronischen Charakter des Substrats unzulässig sind.Auf dem topologischen Isolator Be2Te3 bewegen sich die Wassermoleküle relativ wenig zwischen den einzelnen Oberflächenplätzen, dennoch treten immer wieder weite Sprünge auf.3)Dieses Phänomen ist im Sinne von Kramers Theorie gut verstanden. Diese Theorie trifft Aussagen darüber, wie schnelle eine Reaktion abläuft, also in diesem Fall wie schnell oder wie oft ein Molekül unter Überwindung der Diffusionsbarriere von Oberflächenplatz A nach Oberflächenplatz B springt. Aufgrund der geringen Energietransferrate vom Substrat zum Wassermolekül erhält das Molekül nur selten genügend Energie, um von einer Position zum Nachbarplatz zu springen: Das Molekül muss zunächst die Diffusionsbarriere überwinden (Abbildung 4). Gleichzeitig ist der Energietransfer vom Molekül zurück zum Substrat ebenfalls gering, sobald dieses genügend Energie aufgenommen hat, um die Barriere zu überqueren. Das Molekül bleibt also vergleichsweise lange im angeregten Zustand, und es besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass es weiter wandert und einen weiteren Sprung macht als bis zum Nachbarplatz (Abbildung 4).<figure><img src="https://media.graphcms.com/mSVfThDFRdav2wctVKUo"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Das Wassermolekül muss eine Diffusionsbarriere überwinden, um von einer Position an der Oberfläche zum Nachbarplatz zu springen. Die Energietransferrate erlaubt in dem Beispiel auch Sprünge, die weiter als bis zum nächsten Nachbarplatz gehen.</figcaption></figure>
<h2>Der Autor</h2>Anton Tamtögl, Jahrgang 1982, ist Gruppenleiter an der TU Graz, wo er sich vor allem mit der Oberflächendynamik- und chemie neuartiger Materialien beschäftigt. Er promovierte an der TU Graz und kehrte nach einem Postdoktorat an der University of Cambridge dorthin zurück. <a href="mailto:tamtoegl@tugraz.at">tamtoegl@tugraz.at</a><div><img src="https://media.graphcms.com/zaioRD7aSeGnmCjLgUuC">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Moleküle bewegen sich auf Oberflächen bei Raumtemperatur auf einer Zeitskala von Piko- bis Nanosekunden.Um diese schnelle Bewegung messen zu können, nutzt die Helium-Spin-Echo-Spektroskopie die Streuung eines Atomstrahls von der Probenoberfläche, zum Beispiel bei Wasser auf Graphen.Die Methode ist wie ein Radar für Moleküle: Sie erlaubt, die Bewegung der Moleküle im Bereich von Pikosekunden zu messen.
<ul><li>
1 C. Bertram, W. Fang, P. Pedevilla, A. Michaelides, K. Morgenstern, Nano Lett. 2019, 19, 3049.</li><li>
2 J. Guo, X.-Z. Li, J. Peng, E.-G. Wang, Y. Jiang, Prog. Surf. Sci. 2017, 92, 203</li><li>
3 A. Tamtögl, M. Sacchi, N. Avidor et al., Nat. Commun. 2020, 11, 278</li><li>
4 A. P. Jardine, H. Hedgeland, G. Alexandrowicz, W. Allison, J. Ellis, Prog. Surf. Sci. 2009, 84, 323</li><li>
5 A. P. Jardine, S. Dworski, P. Fouquet et al., Science 2004, 304, 1790</li><li>
6 A. Tamtögl, E. Bahn, M. Sacchi et al., arXiv:1810.00650 2019</li><li>
7 H. Hedgeland, P. Fouquet, A. P. Jardine et al., Nat. Phys. 2009, 5, 561</li><li>
8 A. Tamtögl, D. Campi, M. Bremholm et al., Nanoscale 2018, 10, 14627</li><li>
9 E. Bahn, A. Tamtögl, J. Ellis, W. Allison, P. Fouquet, Carbon 2017, 114, 504</li><li>
10 J. Carrasco, A. Hodgson, A. Michaelides, Nat. Mater. 2012, 11, 667</li></ul>

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