Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neutronen helfen bei der Aufklärung von Ozonvergiftungen

17.04.2013
Birkbeck, ein Forschungszentrum der Universität London, weist mit Hilfe der weltweit führenden Neutronenquellen an ILL und ISIS Ozonangriffe auf Lungenoberflächenflüssigkeiten nach.

Ein Forscherteam von Birkbeck und den Royal Holloway Colleges an der Universität London sowie von der Universität Uppsala in Schweden trug zu der Erklärung bei, wie Ozon schwere Atemwegs-erkrankungen und jährlich Tausende Fälle von vorzeitigem Tod durch Angriff auf die Fettschicht unserer Lungen verursacht.


Röntgenbild der Lunge

Bei einer in Langmuir veröffentlichten Studie beobachtete das Team mit Hilfe von Neutronen am Institut Laue-Langevin in Grenoble und der britischen Neutronenquelle ISIS, wie eine relativ geringe Dosis Ozon Lipidmoleküle angreift, die die Lungenoberfläche abdichten. Lipidmoleküle sind unabdingbar für den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid, da sie den Kollaps der feuchten Oberflächen der Lunge verhindern.

Ozon wird im Wesentlichen in der oberen Atmosphäre gebildet, da das UV-Licht der Sonne Sauer-stoffmoleküle spaltet, aber es entsteht auch am Boden bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Es ist bekannt, dass es unser Atemsystem schädigt und in Zusammenhang steht mit Asthma, Bronchitis, Herzanfällen und anderen Herz-Lungen-Problemen. In einer kürzlich von der Abteilung Umweltgesundheit an der Bloomberg-Schule veröffentlichten Studie wird herausgestellt, dass strengere Ozonemissionsregulierungen in den USA jährlich über tausend vorzeitige Todesfälle sowie über eine Million Atembeschwerden verhindern könnten.

Es bleibt jedoch unklar, wie genau Ozon diesen Schaden verursacht. Einer Theorie zufolge greift es die Oberflächenschichten der Lunge an, die aus einer Schicht Wasser unter einem Gemisch aus Lipid genannten Fettmolekülen und Proteinen bestehen, die zusammen das Lungentensid bilden. Dieses Gemisch unterstützt den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid bei der Atmung. Dabei wird die Oberflächenspannung, d.h. die gegenseitige Anziehung der Moleküle untereinander, in der genannten Oberflächenschicht vermindert. Dadurch können sich die Flüssigkeiten ausbreiten und eine größere Oberfläche für den Gasaustausch entsteht.

Leider kann ein Mangel an adäquatem Tensid, wie er oftmals natürlicherweise bei Frühgeburten beobachtet wird, ähnliche Atembeschwerden, wie oben beschrieben, hervorrufen und in manchen Fällen sogar zum Tod führen. Dieser Zusammenhang wurde 2011 weiter bestätigt durch dasselbe Team von Birkbeck. Es zeigte, dass Ozon heftig mit der Lipidschicht reagiert und sie zerstört. Weiterhin unklar war jedoch, was genau vor sich geht und wie diese Reaktionen das Tensid bei seiner Funktion behindern.

Zur weiteren Untersuchung führten Dr. Katherine Thompson von Birkbeck und ihr Team Neutronen-reflexionsexperimente am Institut Laue-Langevin in Grenoble und an der ISIS-Neutronenquelle in Oxfordshire an einer künstlichen einlagigen Lipidschicht durch, mit der die Lungenoberfläche simuliert wurde. Die Lipidschicht wurde einem verdünnten Gasgemisch aus Ozon ausgesetzt und die Veränderungen in ihrer Struktur oder Oberflächenspannung wurden in Echtzeit untersucht.

Die Ozonkonzentration betrug etwa 100 parts per billion (0.1 ppm), was in etwa der Größenordnung in einer verschmutzten Stadt im Sommer entspricht.

Die Verwendung von Neutronen ermöglichte es Dr. Thompson, verschiedene Teile der Probe durch Deuterierung zu markieren, ein Prozess, bei dem ein schwereres Wasserstoffisotop eingebaut und undeuterierten Proben gegenübergestellt wird, um die Lage der Wasserstoffatome herauszufinden. So konnten verschiedene Teile des Moleküls getrennt beobachtet werden, wenn sie mit dem Ozon reagieren.

Mit dieser Technik zeigte Dr. Thompsons Team, dass einer der aufwärts zeigenden Schwänze des Lipids, C9-Teil genannt, während der Ozon-Degradation abbricht und vollständig von der Oberfläche verschwindet. Der noch am Lipidkopf haftende Teil orientiert sich dann neu und dringt in die Luft-Wasser-Schnittstelle ein. Der Verlust des C9-Teils verursacht einen anfänglichen Abfall der Ober-flächenspannung, welcher zeitweilig zu einer Ausdehnung der Oberfläche für den Gasaustausch und das effiziente Atmen führt. Dieser Effekt ist jedoch von kurzer Dauer, weil das Eindringen des Molekülrests in das Wasser einen langsamen, aber ausgeprägten Anstieg der Oberflächenspannung verursacht ‒ bis zu einem Ausmaß, das letztlich einen Nettozuwachs zur Folge hat.

Für Dr. Thompson und ihre Kollegen ist der nächste Schritt, das Modell auf die Bedingungen von Menschen mit verschiedenen Formen von Atembeschwerden zu übertragen, um besser zu verstehen, warum Ozon sie offenbar stärker beeinträchtigt als andere.

Zitate
Dr. Katherine Thompson, Birkbeck, Universität London: „Wir wissen nicht mit Sicherheit, was die zweite Stufe des Spannungsanstiegs verursacht. Das beschädigte Lipid könnte sich langsam in Wasser auflösen und die Schnittstelle vollständig verlassen oder es könnte eine langsame Reaktion auftreten, welche einen anderen, nicht direkt vom Ozon angegriffenen Teil des Lipids schädigt. Was wir sagen können, ist, dass der langsame Anstieg der Oberflächenspannung als Folge der Ozonein-wirkung die Fähigkeit unserer Lunge, Sauerstoff und Kohlendioxid zu verarbeiten, sicherlich schädigt und für die Atembeschwerden durch Ozonvergiftung verantwortlich sein kann.“

Dr. Richard Campbell, Institut Laue-Langevin: „Neutronen sind ein ideales Werkzeug zur Unter-suchung biologischer Stoffe, insbesondere ihrer Reaktionen und Wechselwirkungen an Oberflächen und über Schnittstellen hinweg. Sie sind hochempfindlich gegenüber leichten Atomen wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen diese organischen Moleküle bestehen. Ferner kann man mit Isotopenmarkierung Struktur und Zusammensetzung von Schnittstellenschichten bestimmen. Als eine der stärksten Neutronenquellen weltweit hat das ILL eine lange Tradition bei der Untersuchung wichtiger Prozesse im mikroskopischen Bereich, die in unserem Körper stattfinden, und hat bahnbrechende Einsichten für die nächste Generation von Behandlungen geliefert.“

Pressekontakt:
In England: James Romero +44 845 680 1866 – james@proofcommunication.com
In Deutschland: Arno Laxy +49 89 15 92 96 76 – ill@sympra.de
Anmerkungen für Redaktionen
1. Health Benefits from Large-Scale Ozone Reduction in the United States – Berman et all, Oct 2012 -

http://ehp.niehs.nih.gov/2012/10/health-benefits-from-large-scale-ozone-reduction-in-the-united-states/

2. Über das Institut Laue-Langevin (ILL) – Das Institut Laue-Langevin ist ein internationales Forschungszentrum im französischen Grenoble. Seit den ersten Experimenten im Jahr 1972 ist es führend auf dem Gebiet der Neutronenstreuungsforschung und -technologie. Das ILL betreibt eine der stärksten Neutronenquellen der Welt, von der Neutronenstrahlen zu 40 hochkomplexen Instrumenten geleitet werden, die ständig modernisiert und verbessert werden. Jährlich besuchen 1.200 Wissenschaftler aus mehr als 40 Ländern das ILL, um Forschungsarbeiten auf den Gebieten Physik der kondensierten Materie, (grüne) Chemie, Biologie, Kern- und Teilchenphysik sowie Materialwissenschaft durchzuführen. Großbritannien ist zusammen mit Deutschland und Frankreich Partner und Hauptgeldgeber des ILL.

Arno Laxy | idw
Weitere Informationen:
http://www.ill.eu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Forscher entschlüsseln einen Mechanismus bei schweren Hautinfektionen
24.01.2017 | Eberhard Karls Universität Tübingen

nachricht Tollwutviren zeigen Verschaltungen im gläsernen Gehirn
19.01.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie