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Nobelpreis 2017Medizin, Physik, Chemie

Nobelpreisträger 2017 Dr. Josef Roesch 1

Medizin NobelpreisPreisträger 2017Medizin-Nobelpreis für die innere Uhr

Drei US-Forscher entschlüsselten seit den 1980er Jahren, welche Zellulare Mechanismen den 24h-Tagesrhythmus steuern

Drei US-Amerikaner erhielten 2017 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin: Jeffrey C. Hall (links), Michael Rosbash(Mitte) und Michael W. Young (rechts). Hall, geboren 1945 in New York, arbeitete bis vor Kurzem noch an der University of Maine, Rosbash (Jahrgang 1944 aus Kansas City) ist seit den 1980er Jahren an der Brandeis University beschäftigt, Young (1949 in Miami geboren) forscht noch immer an der Rockefeller University in New York.

Jeffrey C. Hall Michael Rosbash Michael W. Young Foto: Nobelkomitee


Nobelpreis Medizin 2017

• Was ist die innere Uhr:• Steuert den Tages-Nachtrhytmus

• Schlafbedürfnis

• Jet-Lag

• Verständnis von Schlaflosigkeit

• Schichtarbeit

• Folter durch Schlafentzug

Was wurde prämiert:

Beiträge zum Verständnis der inneren Uhr



Was leistet die innere Uhr

Höchste Aufmerksamkeitsstufe Beste Koordination und

schnellste Reaktionszeiten

Höchste Körpertemperatur

Höchster Blutdruck

Melatonin AusschüttungTiefschlaf

Niedrigste Körpertemperatur

Freisetzung von Cortisol

Höchster Anstieg des Blutdrucks

Die innere Uhr hat einen großen Einfluss auf die Physiologie Sie reguliert die Schlafphasen, Hunger, Hormonausschüttungen, Blutdruck und Körpertemperatur. Eine große Anzahl von Genaktivitäten werden von dieser Uhr gesteuert.


Vereinfachte Illustration der Wirkungsweise des Regelkreises des „Period“ Gens.Die Darstellung zeigt die Abfolge des 24-Stundenrhythmus. Wenn das „period“ Gen Aktiv ist, wird „period“ Boten-RNA erzeugt. Die Boten-RNA wird zum Cytoplasma der Zelle transportiert und dient als Kopierschablone zur Produktion des „PER“ Proteins. Die Konzentration des PER Proteins im Zellkern steigt an. Hierdurch wird die Aktivität des „Period“ Gens blockiert. Dies ist ursächlich für den Rückkopplungsmechanismus, dem der 24- Stundenrhythmus unterliegt




Wie funktioniert die Innere Uhr auf Zellebene?

Vereinfachte Darstellung der rückgekoppelten Steuerung des Gens „Period“

A)Sowohl „Period“ (PER ) als mRNA und PER oszillieren. Die Konzentration des PER Protein steigt mehrere Stunden nach der Spitzenkonzentration der „period“ mRNA an. Die steigende Konzentration des PER Protein sorgt nun seinerseits dafür, dass die Produktion der mRNA durch das Gen verhindert wird.

B) Zusätzlich sind andere Proteine wesentlich an diesem Mechanismus dieser Oszillation des „Period“ Gens beteiligt. TIM Protein, das durch das „Timeless“ Gen produziert wird oszilliert ebenfalls und wechselwirkt mit dem PER Protein. Diese Wechselwirkung ist bestimmend für den Anstieg des PER Proteins im Kern und damit für die Aktivität des „Period“ Gens. DBT Protein wird durch das „doubletime“ Gene produziert. DBT ist eine Proteinkinase und phosphorilisiert PER und zerstört damit das PER Protein. DBT Protein leitet den Zerfall des PER Proteins ein entsprechend der Verzögerung zwischen „Period“ mRNA und PER Protein Aufbau. CLK und CYK produziert von den „Clock“ und „Cycle“ Genen sind zwei „Transskriptions Faktoren“ die wiederum das „Period“ Gen aktivieren.



Was haben die Laureaten entdeckt:

• 1970 Benzer und Konopka entdeckten, dass Taufliegen individuelle Charakteristiken ihrer inneren Uhr vererben können, und dass dafür ein Gen namens „Period“ entscheidend ist.

• Mutationen in diesem Gen sorgen dafür, dass die innere Uhr der Tiere nicht mehr funktioniert.

• Die Laureaten isolierten und sequenzierten 10 Jahre später das Gen „Period“ aus der Taufliege und untersuchten, wie es in Neuronalenzellen arbeitet.

• Dabei erkannten sie, dass sich das Produkt des Gens, das Protein „Period“ (oder PER), in Fliegenneuronen in einem verräterischen 24-Stunden-Rhythmus oszillierend ansammelt und wieder abbaut.

• Die höchste Konzentration erreicht PER dabei mitten in der Nacht. Irgendwie steuert die PER-Menge den Tag-Nacht-Rhythmus – und etwas die PER-Menge.

Nähere Erläuterungenhttp://www.spektrum.de/news/medizin-nobelpreis-fuer-die-innere-uhr/1507805https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.htmlNobelpreisträger 2017 Dr. Josef Roesch 7

http://www.spektrum.de/news/medizin-nobelpreis-fuer-die-innere-uhr/1507805


Was wurde ausgezeichnet

• Die Entdeckung der sich selbst erhaltenden Transkription/Übersetzung mittels Rückkopplungs-schleife als Zentrale Komponente des molekularen Mechanismus, durch den die zeitbestimmenden Gene den Tagesrhythmus in Zellen und Gewebe steuern, hat zu einem neuen Paradigma im Verständnis geführt, wie Organismen den Tag sozusagen vorausahnen und sich an den normalen Tagesablauf wie z.B. an Tageslicht anpassen.

• Durch die bahnbrechenden Entdeckungen der drei Laureaten wurde ein fundamentale physiologischen Mechanismus erforscht. Die Biologie des Tagesrhythmus wurde zu einem großen und dynamischen Forschungsfeld entwickelt mit wichtigen Auswirkungen für Gesundheit und Wohlbefinden

Nähere Erläuterungenhttps://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html


Physik NobelpreisPreisträger 2017Rainer (Rai) Weiss (85) wurde in Berlin geboren, floh aber mit seiner Familie während des Zweiten Weltkriegs vor den Nationalsozialisten. 1938 kam er in die USA, Ende der 1980er Jahre spielte er schließlich eine führende Rolle bei der Entwicklung von Gravitationswellendetektoren.

Kip Thorne (77) war bis 2009 Professor der theoretischen Physik am California Institute of Technology (Caltech), auch Barry Barish(81) forschte dort. Sie entwickelten das LIGO-Projekt.

Rainer Weiss Barry Barish Kip Thorne


Nobelpreis Physik 2017Nachweis von Gravitationswellen

Die erste Veröffentlichung von Albert Einstein über Gravitationswellen

↑ Albert Einstein: Über Gravitationswellen.In: Königlich-Preußische Akademie der Wissenschaften (Berlin). Sitzungsberichte (1918), Mitteilung vom 31. Januar 1918, S. 154–167.Die


https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle#cite_ref-1

http://echo.mpiwg-berlin.mpg.de/MPIWG:8HSP60BU

https://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6niglich-Preu%C3%9Fische_Akademie_der_Wissenschaften


Was ist Raumzeit

Raumzeit

Raumzeit oder Raum-Zeit-Kontinuumbezeichnet die Vereinigung von Raum und Zeit in einer einheitlichen vierdimensionalen Struktur. Sie ist in der Relativitätstheorie dargelegt.Ein Punkt in der Raumzeit besitzt drei Raumkoordinaten sowie eine Zeitkoordinate und wird als Ereignis oder Weltpunkt bezeichnet.Raumzeit existiert nur dort wo Energie und oder Masse vorhanden ist


abenteuer-universum.de/einstein/raum.html

https://de.wikipedia.org/wiki/Raum_(Physik)

https://de.wikipedia.org/wiki/Zeit

https://de.wikipedia.org/wiki/Dimension_(Mathematik)

https://de.wikipedia.org/wiki/Relativit%C3%A4tstheorie


Wie entstehen Gravitationswellen

Eine Gravitationswelle ist eine Welle in der Raumzeit, die durch eine beschleunigte Masse ausgelöst wird. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie breitet sich jegliche Wirkung maximal mit Lichtgeschwindigkeit aus. Auch lokale Änderungen im Gravitationsfeldkönnen sich also nur mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Daraus folgerte Albert Einstein 1916 die Existenz von Gravitationswellen.[1] Sie verursachen während ihrer Ausbreitung durch den Raum vorübergehend Stauchungen und Streckungen von Abständen, also auch des Raumes selbst.


https://de.wikipedia.org/wiki/Welle

https://de.wikipedia.org/wiki/Raumzeit

https://de.wikipedia.org/wiki/Masse_(Physik)

https://de.wikipedia.org/wiki/Allgemeine_Relativit%C3%A4tstheorie

https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit

https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationsfeld

https://de.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle#cite_note-1

https://de.wikipedia.org/wiki/Raum_(Physik)

https://de.wikipedia.org/wiki/Abstand


Detektion der Gravitationswellen

Modellvorstellung zum Durchgang einer Gravitationswelle (Einstein Mandala nach: Markus Pössel, Das Einstein Fenster, eine Reise durch die Raumzeit, Hoffmann und Campe, 1. auflage 2005 S.175



Das Spektrum der Schwerewellen



Was Verursacht Gravitationswellen

Zwei schwarze Löcher umkreisen sichund emittieren Gravitationswellen überviele Millionen Jahre. Durch denEnergieverlust kommen sie sich immernäher bis sie innerhalb weniger zehntelSekunden miteinander verschmelzen.Die Auswirkung des Ereignisse werden1,3 Milliarden Lichtjahre später auf derErde mit dem LIGO Detektor erfasst.Akustisch gesehen klingt es wie einZirpen, das abrupt endet.

Gravitationswellen verursacht durch kollidierenden schwarzen Löchern

Schwarze Löcher

Sonnenmassen Sonnenmassen Sonnenmassen

Signal des Hanford LigoDetektors

Kosmisches Zirpen, das davon erzählt, dass in einer Entfernung von 1 300 000 000 Lichtjahren die Energie von drei Sonnenmassen innerhalb weniger zehntel Sekunden in Form von Gravitationswellen freigesetzt wurden


LIGO Anlage in Hanford in den Prärien im Nordwesten

der USA

LIGO Anlage in Livingston im Marschland der Mississippi Mündung in den USA

LIGO Anlage in Hanford in den Prärien im Nordwesten der USA


Die Detektoren

• LIGO Projekt

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory



Wie funktioniert das

Die Laureaten entwickelten einen Interferometer der auf Laser Basis arbeitet.

• Interferometer messen die Überlagerung vonLichtwellen (Physikunterricht Licht Beugung am Spalt)

• Man kann damit sehr genau Längen undLängenänderung messen. (Laser Entfernungsmesser)

• Der Laser Strahl wird zwischen den Spiegeln die in denArmen des L aufgestellt sind hin und hergeworfen undam Detektor so eingestellt, dass sich die Lichtwellenauslöschen.

• Ändert sich die Lage der Spiegel in den Detektorarmendurch den Durchgang einer Schwerewelle d.h. werdendie Arme gestaucht bzw. gedehnt löschen sich amDetektor die Lichtwellen nicht mehr aus sondernerzeugen ein Signal proportional zur Längenaus-dehnung, das kann vom Detektor aufgezeichnetwerden.

• Mit der Anordnung kann eine Veränderung der Lageum 1/1000 der Größe eines Atomkerns gemessenwerden (Atomkern =>10 fm (femtometer)= 10-15 m



Welche Probleme mussten gelöst werden

• Die Spiegel aus Silizium müssen entsprechendbeschichtet und gekühlt werden um ThermischesRauschen zu unterdrücken

• Die Intensität des Laser muss so beschaffen sein, dasskeine Quanteneffekte auftreten.

• Das Vakuum in den Schenkeln der 4 km langen Röhrenmuss <1µ Pa sein

• Die Spiegeln müssen so aufgestellt werden, dass keineseismische Einflüsse das System stören, z.B. das falleneines Blattes, das laufen eines Kindes.

• Die Störungen von Außen müssen gemessen werdenund aus dem Signal herausgerechnet werden

• Die Signalerkennung muss funktionieren

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/advanced.html



Was wurde ausgezeichnet

• Die Vielfalt der Projekte mit dem Ziel Gravitations-wellen über den großen Frequenzbereich zubeobachten, wird das aufblühen der Gravitations-wellenastronomie in den nächsten Dekaden begleiten.

• Gravitationswellen reisen ungehindert durch das Universum und bringen Informationen über die gewaltigsten Prozesse im Universum, sogar solche die in unerforschten Regionen stattfinden und sogar in solchen die für Photonen undursichtig sind.

• Zusätzlich eröffnet die direkte Beobachtung einenWeg und ist ein Test für die Grenzen der allgemeinenRelativitätstheorie, möglicherweise weist sie einenWeg zur Vereinigung mit der Quantentheorie.

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/advanced.htmlNobelpreisträger 2017 Dr. Josef Roesch 21

Chemie NobelpreisPreisträger 2017Der Schweizer Jacques Dubochet,

der gebürtige Deutsche Joachim Frank und

der Brite Richard Henderson haben mit ihren Arbeiten entscheidend dazu beigetragen,

die Kryo-Elektronenmikroskopie zu einem der wichtigsten Werkzeuge der Biochemie zu machen.

Jacques Dubochet Joachim Frank (USA) Richard Henderson


Nobelpreis Chemie 2017Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie

Was wurde entdeckt

• 1990 gelang es Richard Henderson, mit einem Elektronenmikroskop in atomarer Auflösung ein dreidimensionales Bild eines Proteins zu erstellen.

• Joachim Frank, der in Deutschland geboren wurde und nach seiner Promotion an der Technischen Universität München in die USA ging, machte die Technologie grundsätzlich anwendbar. Er tüftelte zwischen 1975 und 1986 an einer Methode der Bildverarbeitung, mit der die bis dato unscharfen zweidimensionalen Bilder analysiert und zu einem scharfen dreidimensionalen Bild vereinigt werden können

• Jacques Dubochet löste schließlich das Problem mit dem Vakuum. Es ist für die Elektronenmikroskopie nötig, bringt es aber mit sich, dass Biomoleküle austrocknen und zusammenfallen.



Was wurde entwickelt



Wie funktioniert eine Elektronenmikroskop

Strahlengang imTranselektronenmikroskop mit kristallinemObjekt, vereinfacht dargestellt.

Das Abbildungssystem ist zweistufig(Objektiv und ein Projektiv) und erzeugtdaher im Abbildungsmodus zweiBeugungs- und zwei Ortsraumbilder.

Wird die Projektivlinse geringer angeregt(Erhöhung der Brennweite), verschiebtsich das zweite Beugungsbild nach untenund kann am Detektor registriert werden(Beugungsmodus).


https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlengang


Probleme bei der Mikroskopie von Proben organischen Ursprungs

• Das Elektronenmikroskop funktioniert nur im Hochvakuum

• Das Wasser aus Zellmaterial verdampft im Vakuum

• Der Elektronenstrahl zerstört die organischen Verbindungen

• Man konnte nur kristalline Verbindungen untersuchen und Organische Moleküle lassen sich teilweise nur schwer kristallisieren



Lösungen der Probleme

• Kühlung der Proben, so dass der Dampfdruck der angewandten Lösungsmittel so klein ist, dass das Vakuum nicht gestört wird

• Biologisches Material liefert einen sehr schwachen Bildkontrast, wenn der Elektronenstrahl die Probe durchstrahlt, außerdem muss eine Zerstörung der Probe vernachlässigbar sein.

• Die Probe muss idealer weise aus einer dünnen Schicht bestehen, die thermische Bewegung der interessierenden Spezies muss gering sein, wenn man Filme oder langsame Detektoren verwendet.



Lösungen der Probleme

• Die Empfindlichkeit der Detektoren, musste gesteigert werden

• Die Bilderkennungssoftware zum herausrechnen der Bildinformation muss den Problemen angepasst sein.

• Wasser, das die Proben enthalten, muss so schnell heruntergekühlt werden , dass es keine Zeit hat zu kristallisieren sondern sich wie Glas als unterkühlte Schmelze keine Strukturen aufweist.



Wie werden die Proben eingefroren

Die wässrige Probe wird auf ein Gitter gegeben, das aus kleinen Löchern in einer Kohlenstofffolie besteht, das durch ein Metallgitter gestützt wird.Die überschüssige Flüssigkeit wird entfernt

Ein dünner Film von zufällig verteilten Partikeln im Wasser gelöst wird durch die Kapillarkräfte in den löchern aufgespannt

Das Gitter wird schnell in flüssiges Äthan getaucht, das durch Flüssigen Stickstoff gekühlt wird. Das Wasser kühlt sich so schnell ab, dass es sofort glasartig erstarrt.

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/advanced.htmlNobelpreisträger 2017 Dr. Josef Roesch 29


Bildverarbeitung

Das Problem bei nicht kristallinen gleichgeformter Spezies ist die Position und die Orientierung von jedem Partikel in der Ebene und im Raum (2D und 3D) zu bestimmen, die unter Umständen auch noch Verunreinigungen enthalten.Entwickelt wurde eine Methode, die Bildinformation in Klassen einzuteilen, die ihre Orientierung im Raum als auch ihre Struktur wiedergibt.

Jedes Abbild eines Partikels, das durch die Intensität von n Bildpunkten gebildet wird, wird durch einen n-dimensionalen Vektor gebildet. Durch multivariante statistische Analyse können die Vektoren in Cluster sortiert werden. Vorausgesetzt jeder dieser Cluster gibt eine 2D Projektion eines Partikels mit bestimmter Orientierung wieder und Struktur Eigenschaften. Diesen Vorgang kann man automatisieren.

Frank entwickelte viele der wichtigenmathematischen Werkzeuge zur Bildanalyse.Er führte sie in zusammen und entwickelte das

Programm „Spider“, und gestaltete das Programmso, dass es für die Wissenschaftliche Gemeinschaftleicht zugänglich und benutzbar wurde



Was wurde ausgezeichnet.

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemie/laureates/2017/advanced.html

Die Ansicht, dass die Elektronenmikroskopie an die Grenzen Ihrer Auflösung gekommen ist, teilten bis vor kurzer Zeit viele Forscher. Diese Aussage beschreibt, welcher Substantiellen Fortschritt erreicht wurde ( die „ Revolution in der Auflösung“ ).

• Jacques Dubochet entwickelte Methoden zurPräparation der Proben der Biomoleküle in Wasser.

• Joachim Frank entwickelte Methoden zurBestimmung der Struktur durch Analyse der Orientierung der Partikel in der Lösung.

• Richard Henderson demonstrierte, dass esmöglich ist, mit diesen Methoden Auflösungenbis zur atomaren Basis zu erreichen.


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