CLB Chemie in Labor und Biotechnik - Chemie - Leben - Biotechnik
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CLB
Analytik
Biotechnik
Optimierte Prozesse
Komplexe Materialien
Maßgeschneiderte Moleküle
Menschen und Chemie
Chemie in Labor und Biotechnik Aus- und Weiterbildung
Blume des Jahres: Cichorium
Glycolytische Oszillationen der Hefe
Jugend forscht: Plasmonenresonanz von Nano-Goldpartikeln
Rubikon
Preisausschreiben zum 100. CLB-Titelbild bei
10 / 2009 D 2046 E
CLB-Geschichte
Diese CLB-Geschichte ist dem 100. Jahrestag des „Ammoniak-Hochdruckpatents“ vom 14. September 1909 gewidmet. Details siehe Umschlagseite 3.
Details und Fortsetzung siehe Umschlagseite 3
U2 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009
Liebe CLB-Leserin, lieber CLB-Leser,
Editorial
wie auf der Titelseite genannt und auf der Rück- jedoch so fasziniert von der Hubble-Teleskop-
seite ausgeführt ist dies – kurz vor dem 60. Ge- Aufnahme eines sterbenden Sterns im Katzenau-
burtstag der CLB – das 100. CLB-Heft, das unser gennebel (was in dem Heft nicht als Hauptartikel,
Rubikon-Verlag seit März 2001 produzierte, dem sonder im Rahmen aktueller Forschungen gemel-
Zeitpunkt der Übernahme vom Umschau-Verlag; det wurde), dass ich probeweise das Bild über die
CLB 01 und 02/2001 wurden noch dort erstellt. gesamte Titelseite hinweg aufzog. Das sah der
Zählt man die Doppelnummern mit, ist es freilich mittlerweile leider verstorbene CLB-Autor Hans-
schon die 104. Ausgabe der abonnierten Auflage, Dietrich Martin, der in jener Ausgabe über sei-
die wir produzierten. 100 Titelseiten sind jedoch ne 50jährige Arbeit als CLB-Autor berichtete. Er
etwas greifbarer, und daher rufen wir Sie hier war auch sofort begeistert von diesem Layoutvor-
auf, uns Ihren Titelbild-Favoriten zu nennen. schlag und ermunterte mich, zur Abwechslung
diese Art des Titelseiten-Layouts zu nehmen.
Zu Anfangszeiten unserer CLB-Produktion – zu-
nächst noch in dem Umschau-Layout – wurden Mittlerweile ist dieses Layout zur Regel gewor-
einige Titelbilder von Unternehmen als Anzeige den, zumindest konsequent in diesem Jahr, und
geschaltet. Bei dem eng gewordenen Anzeigen- wenn Sie nicht stark dagegen votieren wird es
markt gingen jedoch für die im Vergleich zu den höchstwahrscheinlich so bleiben; ganz sicher
anzeigenbezahlten Magazinen mit ihren relativ kann man sich ja nie sein ;-)
hohen Auflagen diese für den Verleger monitär
angenehmen Möglichkeiten schnell ihrem Ende Ich möchte die Gelegenheit wahrnehmen, hier
entgegen; dafür eröffnete sich die Möglichkeit sowohl den verbliebenen Unterstützern aus der
der freien Gestaltung. Zunächst gelang es nicht Industrie wie auch allen Mitarbeitern und verläss-
immer, das Titelbild einem der Hauptthemen der lichen Auftragnehmern wie unserer Druckerei
jeweiligen Ausgabe zuzuordnen. Dies ist jetzt sowie allen Stammautoren zu danken, die unter
jedoch praktisch – wie bei den führenden all- meiner Regie die CLB mitgestaltet und mitprodu-
gemeinverständlichen Wissenschaftsmagazinen ziert haben. Ohne solche Unterstützung gäbe es
ebenfalls – Standard. die Zeitschrift nicht – und auch nicht ohne Ihre
beständige Treue, liebe Leserinnen und Leser,
Nach dem grundsätzlichen Layoutwechsel ab herzlichen Dank,
Ausgabe April 2002 war mancher von Ihnen wohl
erstaunt, die Ausgabe vom September 2004 der Ihr
CLB zuzuordnen, war doch das Titelbild über
die volle Größe der Druckseite abgebildet, ohne
den bis dahin typischen weißen Rahmen. Ich war
Preisfrage zum 100. CLB-Titelbild des Rubikon-Verlags: 1. Preis
Welches Titelbild von denen, die auf der Rückseite dieser CLB abgebildet sind, gefällt Ihnen am
besten? Wenn Sie die Bilder größer betrachten wollen, sehen Sie auf www.clb.de nach. Unter „Aus-
gaben 2001 - 2004“ bzw. „Ausgaben ab 2005“ lassen sich die Titelbilder als Album durchblättern.
Bei der Verlosung nimmt jede Stimme teil, unabhängig davon, ob sie ev. zufällig das meistgenannte
Bild nennt. Sonst gäbe es ja eine verfälschende Rückkopplung der Art: „Mir gefällt ja dieses Bild gut,
aber den anderen wahrscheinlich eher das, also wähle ich das.“ ;-)
Zu gewinnen gibt es als 1. Preis ein ca. 5 cm großes Mineral mit filigranen „Anten-
nen“ aus gediegenem Silber sowie als zwei 2. Preise das „Diafluxx“. Dabei
handelt es sich um die Darstellung eines faszinierenden physikalischen Phänomens, der diamagne-
tischen Levitation. Eine Scheibe pyrolytischen Graphits schwebt beständig über vier extrem starke
2 x 2. Preis
Neodym-Magnete...
Bitte senden Sie Ihre Wahl (etwa: Titelbild xx/200Y) als Fax an 06223 9707 41 oder als e-Mail an
redaktion@clb.de.
Einsendeschluss ist Freitag, der 20. November 2009. Wir geben die Gewinner in der
CLB 12/2009 bekannt. Ich bin gespannt auf Ihren Favoriten. Viel Spaß bei der Wahl!
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 369
INHALT
Systemdynamische Interpretation
Aufsätze
der glykolytischen Oszillationen der Hefe
Phänomene, Modelle und Folgerungen_ _________________________ 376
Blume des Jahres 2009: Cichorium
Inhalte, Nutzen und Mythen der Wegwarte_______________________ 384
Jugend forscht: Maßgeschneiderte optische Eigenschaften
Die Plasmonenresonanz von Nano-Goldpartikeln__________________ 390
Editorial_ __________________________________________________ 369
Rubriken
Impressum_ ________________________________________________ 371
F & E im Bild________________________________________________ 371
Unternehmen_______________________________________________ 372
Personalia__________________________________________________ 374
Förderungen / Preise_________________________________________ 375
Neue Produkte______________________________________________ 404
Bezugsquellenverzeichnis_____________________________________ 407
Zum Titelbild:
Eine Blüte der Blume des Jahres:
Cichorium, die Wegwarte (siehe
Artikel ab Seite 384; Foto: Kickuth).
Bildungsbarometer: Die Parteien verlieren ihre Bildungskompetenz
CLB-Memory
Beste Ideen haben kurz- und langfristig die Grünen________________ M57
Elektroautos nur „grün“ mit erneuerbarer Energie
Fahrzeuge als Stromspeicher erschließen_________________________ M58
Schnelltest für Allergie auslösende Stoffe in Lebensmittel
Bis 2012 verfügbar – Ergebnis in zehn Minuten_ __________________ M60
Studie zu Aufkommen von RFIDs im Abfall
Dialog Hersteller – Entsorger erforderlich________________________ M61
Nachweis von Organophosphat-Nervengiften
Extrem schnelles Ansprechen_ _________________________________ M63
Keramische Werkstoffe
Mehrere richtige Antworten pro Frage sind möglich._______________ M64
370 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009
F & E im Bild
Metamaterial für Spektroskopie
In letzter Zeit haben Metamaterialien, mit denen sich elektromagnetische Wellen, also auch Licht, manipulieren lassen, die Phantasie von Forschern beflügelt. Perfekte
Linsen ohne Abbildungsfehler, ja sogar optische Tarnmäntel à la Harry Potter sind damit zumindest theoretisch möglich. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) beschreiben jetzt erstmals dreidimensionale Metamaterialien, die tatsächlich in spektroskopischen Messgeräten Anwendung finden könnten. Für
die Herstellung der neuartigen Elemente wird zunächst mit einem Laser in einem Fotolack die Struktur „geschrieben“. In einem zweiten Schritt wird in den dabei
entstandenen Hohlräumen Gold galvanisch abgeschieden, bis sie gefüllt sind. Schließlich wird die Polymer-Urform weggeätzt. Zurück bleibt eine Struktur, die an eine
Federkernmatratze erinnert: Sie besteht aus vielen regelmäßig angeordneten, winzigen Goldspiralen mit einem Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern. Sie
wirken so als Filter für zirkular polarisiertes Licht. Solche Strukturen können dies je nach Größe der Spiralen über eine vergleichsweise große Bandbreite von Wellenlän-
gen. Das räumt den bisher beobachteten Nachteil von Metamaterialien aus, dass ihre speziellen Eigenschaften nur auf ein enges Frequenzspektrum beschränkt sind. Im
Blickfeld der Forscher sind jetzt handliche Geräte, die Gemische von Substanzen analysieren, welche selbst als Polarisatoren wirken. Die rechtsdrehenden Milchsäuren
aus dem Joghurt könnten so in Zukunft mit Hilfe von Metamaterialien bestimmt werden. Das Bild zeigt das Metamaterial unterm Rasterelektronenmikroskop, kombi-
niert mit einer Computergrafik. Die rot-weiße Spirale symbolisiert das zirkular polarisierte Licht (Grafik: CFN ).
Impressum
CLB Redaktion: Abonnentenbetreuung: Erfüllungsort ist Heidelberg. Mitglieder
Chemie in Labor und Biotechnik Rolf Kickuth (RK, verantwortlich; Natalia Bajramovic des VBTA, des VCÖ sowie des VDC erhal-
E-Mail: kickuth@clb.de), E-Mail: service@clb.de ten die CLB zu Sonderkonditionen.
Verlag: Dr. Christiane Soiné-Stark
Agentur & Verlag Rubikon (CS, E-Mail: stark@clb.de). Layout und Satz: Anzeigenpreisliste:
für technische und wissenschaftliche Agentur & Verlag Rubikon Nr. 46 vom 01. 12. 2006.
Fachinformation – Rolf Kickuth Ständige Mitarbeiter: Druck: Printec Offset, Ochshäuser Straße
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res Kündigung erfolgt.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 371
Unternehmen
NACHRICHTEN & NOTIZEN Analysen- und Labortechnik verhalten optimistisch
Die Revotar Biopharmaceuticals AG erhält vom
Bundesland Brandenburg über 2 Jahre hinweg For- Branche setzt auf Export
L
schungsmittel in Höhe von 2.5 Millionen Euro (Euro- aut Umfrage des Industrie- wichtigen europäischen Ländern
päischer Fonds für Regionale Entwicklung) für die verbandes Spectaris erwar- Frankreich, Italien und Großbritan-
Entwicklung seiner Pipeline von Selektin-Antagonisten ten die rund 330 deutschen nien. Auch das Osteuropa-Geschäft
zur Behandlung von Atemwegserkrankungen. Hersteller von Analysen-, Bio- ist nach der Boomphase der letzten
GATC Biotech AG, Europa’s führender Sequenzier- und Labortechnik ein stabiles beiden Jahre eingebrochen.
dienstleister, investiert bis 2012 über 5 Mio Euro in Geschäftsergebnis für 2009. Nach einem schwachen ersten
den Standort Konstanz und verdoppelt seine Firmen- Trotz eines Umsatzrückgangs Halbjahr im Inlandsgeschäft, bei
fläche, um Platz für bis zu 100 weitere Arbeitsplätze von 2,4 Prozent im ersten Halb- dem ein Rückgang des Inland-
zu schaffen. Es ist geplant, die Sequenzierkapazitäten jahr dieses Jahres rechnen die Fir- sumsatzes von 5,5 Prozent zu
auf jährlich 30 Terabasen auszubauen. men für das Gesamtjahr mit einem verkraften war, wird für das zwei-
Roche und die RiNA GmbH aus Berlin haben ver- stabilen Geschäftsergebnis (+0,5 te Halbjahr zwar eine spürbare
einbart, dass das gesamte RTS Proteinexpressions- Prozent). Dies würde einem Bran- Verbesserung prognostiziert, für
Portfolio von Roche Applied Science von der RiNA chenumsatz von 6,25 Milliarden das Gesamtjahr aber ein schwach
GmbH übernommen wird. RiNA bringt langjährige entsprechen. rückläufiges Inlandsgeschäft (–3
Erfahrung auf dem Gebiet der zellfreien Expressions- Insbesondere das Auslandsge- Prozent). Sofern sich die Einschät-
systeme mit. Für den weltweiten Verkauf, Support und schäft, auf das 55 Prozent des zungen der Firmen bewahrheiten,
Vertrieb des RTS-Portfolios wird das Hamburger Unter- Umsatzes entfällt, sorgt mit rund dürfte sich auch die Stimmungsla-
nehmen 5 PRIME GmbH verantwortlich sein. 2,5 Prozent Zuwachs für positive ge wieder aufhellen, die zur Jahres-
Bayer CropScience hat mit einer Investition von 4,9 Impulse. Trotz Krise konnten in ei- mitte eher trüb war.
Mio Euro seine Substanzbibliothek in Monheim erwei- nigen Ländern und Regionen nach Erfreulich ist dagegen die Be-
tert. Auf Basis der aktuell rund 2,2 Mio Substanzen wie vor Zuwächse realisiert wer- schäftigungsentwicklung der Bran-
suchen die Forscher nach Erfolg versprechenden Wirk- den, insbesondere in China, Korea che: Im ersten Halbjahr konnten
stoffen für neue Pflanzenschutzmittel. und Indien. Auch das Geschäft Entlassungen weitgehend vermie-
Life Technologies Corporation, Carlsbad, Calif./ im Nahen Osten liegt im Durch- den werden. Für das Gesamtjahr
USA, hat seinen Geschäftsbereich Massenspektrome- schnitt über dem Vorjahresniveau. 2009 wird sogar ein Mitarbeiter-
trie für $450 Mio an die Danaher Corporation verkauft. Schwach zeigt sich dagegen die zuwachs um 1,2 Prozent auf dann
Danaher wird auch Life Technologies’ joint venture Entwicklung in den für die Branche rund 35 500 Mitarbeiter erwartet.
Partner MDS Analytical Technologies von MDS Inc.
übernehmen.
Die Brahms AG, das drittgrößte Biotechunterneh-
men Deutschlands, und Thermo Fisher Scientific schlie-
ßen sich zusammen, um in Hennigsdorf (Brandenburg) Horiba Scientific: CEM mit neuen Patenten
ein European Center of Excellence für klinische Dia- Reorganisiert zur Peptidsynthese
gnostik mit Fokus auf Biomarkern zu gründen. Brahms Horiba Scientific – wurde als CEM hat am 1. September sein
wird in den Spezialdiagnostikbereich innerhalb des neues, global agierendes, Team viertes Patent erhalten, das die Mi-
Segments Analytical Technologies von Thermo Fisher reorganisiert. Es bietet umfas- krowellen-assistierte Synthese von
Scientific integriert, eine Geschäftssparte mit einem sende Produktlinien im Bereich Peptiden betrifft (US 7,582,728).
jährlichen Umsatz von rund 1,3 Mrd. USD. Element Analytik, Molekulare- Es bezieht sich auf zwei Schlüssel-
Die Ascenion GmbH hat Anteile an der Kinaris Bio- und Mikrospektroskopie, op- schritte bei der Beschleunigung der
medicals GmbH erworben. Das Start-up Unternehmen tische Komponenten, sowie in Festphasen-Peptidsynthese mit Mi-
entwickelt neue Medikamente, die Bewegungsvor- der Schichtmesstechnik. Darü- krowellen. Das dritte Patent erhielt
gänge von Zellen gezielt modulieren. Der Ansatz ber hinaus ist Horiba Scientific CEM bereits am 21. Juli dieses Jah-
basiert auf den Ergebnissen eines Forschungsprojektes in Deutschland die europäische res. Es beinhaltet die Ausführung
der Medizinischen Hochschule Hannover und der Tech- Exklusivvertretung für Ultrakurz- von Fmoc und Bmoc-Chemie, die
nischen Universität Dresden: danach kann eine neue pulslaser von Clark-MXR. In dem zwei wichtigsten Strategien in der
Bindungsstelle auf dem Motorprotein Myosin als reorganisierten Verbund finden Peptidsynthese. Wie der CEO des
Angriffspunkt für neue Medikamente dienen. sich gut eingeführte und bekann- Unternehmens, Michael J. Collins,
Bayer CropScience will die Athenix Corp. überneh- te Firmennamen wie Jobin Yvon, mitteilte, laufen bereits weitere
men, ein nicht-börsennotiertes Biotech-Unternehmen IBH, SPEX, Instruments S.A, ISA, Patentanmeldungen im Bereich
mit Sitz in Research Triangle Park, North Carolina, Dilor, Sofie, SLM, and Beta Scien- der Peptidsynthese. Sie sollen zu
USA. Athenix hat eine umfangreiche Entwicklungs- tific. Horiba Scientific ist ein Welt- einem Ausbau des Produktport-
Plattform von Pflanzeneigenschaften (Traits) aus den marktführer in der Herstellung und folios führen. Bestens verkaufen
Bereichen Herbizidtoleranz und Insektenresistenz, vor Entwicklung von forschungsorien- würde sich zur Zeit der Peptid-
allem für Mais und Sojabohnen. tierter Instrumentierung basierend Synthesizer-System „Our Liberty“,
auf Optik und Röntgentechnologie. so Collins.
372 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009
Unternehmen
RWI: Konjunktur auf dem Wege der Besserung
Stabilisierung auf niedrigem Niveau
D ie deutsche Konjunktur
belebt sich nur langsam.
Das RWI prognostiziert einen
Investitionsprogramm zu verdan-
ken, während der private Konsum
rückläufig sein dürfte. Die Teu-
Die Lage der öffentlichen Haus-
halte hat sich aufgrund konjunktur-
bedingter Mindereinnahmen und
Rückgang des realen Bruttoin- erung zieht an und die Verbrau- Mehrausgaben sowie durch Maß-
landsprodukts (BIP) von 5,0% cherpreise steigen in diesem Jahr nahmen zur Stabilisierung der Kon-
für 2009. Für 2010 erwartet um 0,4%, im kommenden Jahr um junktur deutlich verschlechtert.
das RWI ein BIP-Wachstum von 1,3%. Vor diesem Hintergrund er- Die Weltwirtschaft dürfte sich
1,2%, eine wieder anziehende wartet das RWI für das Jahr 2009 allmählich erholen, in den Schwel-
Teuerung und einen schwä- einen Rückgang des realen BIP von lenländern deutlich, dagegen in
cheren Arbeitsmarkt. 5,0%, gefolgt von einer zögerlichen den Industrieländern nicht sehr
Obwohl der Abwärtstrend ge- Erholung 2010 mit einem Wirt- schwungvoll, da viele Konjunktur-
stoppt ist, liegt die Wirtschafts- schaftswachstum von 1,2%. programme auslaufen, und die Kauf-
leistung um 7,1% niedriger als vor Die Lage auf dem deutschen kraft nicht mehr durch rückläufige
einem Jahr, so dass man lediglich Arbeitsmarkt dürfte sich noch für Rohstoffpreise gestützt wird. Auf
von einer Stabilisierung auf nied- einige Zeit verschlechtern, so dass dem Arbeitsmarkt stehen noch grö-
rigem Niveau sprechen kann, so die Arbeitslosigkeit auf 3,7 Milli- ßere Anpassungen bevor. Deshalb
die Analyse des Rheinisch-Westfä- onen Personen am Ende dieses erwartet das RWI, dass das Weltso-
lisches Instituts für Wirtschaftsfor- und auf 4,4 Millionen am Ende zialprodukt in diesem Jahr um 2,5%
schung e.V. (RWI). Eine moderate kommenden Jahres steigen dürfte. sinken und im nächsten Jahr um
Belebung der Konjunktur im zwei- Die Arbeitslosenquote dürfte im 1,0% wachsen wird. Der Welthan-
ten Halbjahr 2009 sind der Welt- Jahresdurchschnitt entsprechend del dürfte 2009 um 13,5% zurück-
wirtschaft und dem kommunalen von 8,3% auf 9,8% steigen. gehen und 2010 um 6% steigen.
Evonik weiht Überschall-Pilotanlage in Hanau-Wolfgang ein
Maßgeschneiderte nanostrukturierte Partikeln
E vonik Industries und
sechs Forschungseinrich-
tungen haben ein effizientes
und Luft auf bis zu 1500 Grad
Celsius zu erhitzen. Nach der
ersten von zwei hintereinander
strukturierung. Beispiele sind
das Polieren von Wafern, Prin-
table Electronics (RFID), kratz-
Verfahren zum Design spezi- angeordneten Überschalldü- feste und transparente Lacke,
eller nanostrukturierter Par- sen wird eine chemische Re- Fotodruck oder Katalysatoren.
tikeln entwickelt. In einem aktion initiiert, in der sich die
Überschallreaktor werden die gewünschten Partikeln bilden.
Der Geschäftsführer der Evonik Degussa GmbH, Dr. Tho-
Partikeln erstmals mit Hilfe Die Strömungsgeschwindigkeit
mas Haeberle, DFG-Präsident Prof. Matthias Kleiner, der
gasdynamischer Effekte er- erlangt phasenweise mehr als Abteilungsleiter Wirtschaftsförderung und Technologie im
zeugt und der Prozess gezielt doppelte Schallgeschwindigkeit. hessischen Wirtschaftsministerium, Klaus-Dieter Jäger, und
gesteuert. In der zweiten Düse wird der der Leiter Verfahrenstechnik & Engineering Evonik Degussa,
Die DFG fördert das Projekt Prozess durch rasche Abküh- Dr. Claas Klasen (v.l.n.r). Bild: Evonik.
„Gasdynamisch initiierte Parti- lung abrupt gestoppt. Anschlie-
kelherstellung“ mit rund neun ßend können die Teilchen zur
Millionen Euro. Das Verfahren weiteren Verwendung heraus-
erlaubt, Partikeln einheitlicher gefiltert werden. Die Partikel-
Größe und Form zu erzeugen, größe ist unter anderem über
um sie beispielsweise mit op- Parameter wie Temperatur und
tischen oder elektrischen Eigen- Reaktionsdauer steuerbar. Der
schaften auszustatten oder die Reaktor erreicht Ausbeuten von
Aggregationsneigung zu beein- etwa drei Kilogramm pro Stunde.
flussen. Solche Teilchen könnten Ein-
In der Pilotanlage dient heiße satz finden in Komponenten für
Gasströmung als Energieliefe- die Luft- und Raumfahrtindustrie,
rant, um ein unter hohem Druck im Werkzeug- und Maschinen-
stehendes Gemisch aus Methan bau oder in der Oberflächen-
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 373
Personalia
BAM Frau Prof. Dr. rer. nat. Chief Operating Officer (COO) der Konzernleitung an. Er bleibt in
Anna Gorbushina übernahm die Brenntag Group ernannt. In dieser San Francisco verantwortlich für
Abteilung „Material und Umwelt“ neu geschaffenen Position wird die Forschung und frühe Entwick-
der BAM. Gleichzeitig wurde sie Holland das weltweite Chemiedis- lung von Genentech, die als eigen-
an die Freie Universität Berlin (FU) tributionsgeschäft führen. Zugleich ständige Einheit geführt wird. Zum
berufen. Mit dieser gemeinsamen wird er seine bisherige Position Chief Operating Officer (COO) der
Berufung wollen die BAM und die des Chief Executive Officer (CEO) Diagnostics Division und Mitglied
Graetzel
FU ihre Forschungsarbeiten im Be- Brenntag Europe innehalten. der Konzernleitung hat der Ver-
reich Materialien und Umwelt zu waltungsrat den 45-jährigen Da-
einer gemeinsamen wissenschaft- CIT (Centre International de niel O’Day gewählt, der bisher
lichen Kompetenz ausbauen. Toxicologie), eine führende eu- für Roche Molecular Diagnostics
ropäische Organisation für Auf- verantwortlich war. Die Nachfol-
BASF Die Betriebswirtin und tragsforschung mit Sitz in Evreux/ ge von Pascal Soriot als CEO von
Japanologin Saori Dubourg (38) Frankreich, hat Sophie Baratte Genentech mit Sitz in South San
wird ab November 2009 neue Kaufmann (46) zum „managing director“ er- Francisco wird der 49-jährige Ian
Leiterin des Bereichs Regional nannt. Dr Jean-François Le Bigot Clark, bisher Leiter des globalen
Functions & Country Management wird „executive president“ sowohl Marketings der Pharma Division,
Asia Pacific in Hongkong. Der der- von CID als auch von der Holding übernehmen.
zeitige Bereichsleiter Dr. Tilman Applied Biology Company.
Krauch (47) übernimmt ab 2010 Spectaris Josef May (49)
die Leitung des Unternehmensbe- Cognis Klaus Edelmann (66) bleibt weiterhin Vorsitzender des
reichs Construction Chemicals, da schied als Chief Financial Officer Verbandes Spectaris, Deutscher
Dr. Bernhard Hofmann (57), der Milner (CFO) aus der Geschäftsführung Industrieverband für optische,
bisher für diesen Bereich verant- des Spezialchemieanbieters aus. medizinische und mechatro-
wortlich war, Ende 2009 in den Er wurde Mitglied im Aufsichtsrat nische Technologien. Josef May
Ruhestand geht. des Unternehmens. Als sein Nach- ist Geschäftsführer der Silhouette
folger ist Dr. Marco Panichi (43) Deutschland GmbH und seit 2007
Bayer Werner Wenning (62), benannt. Vorsitzender von Spectaris. Da-
seit 2002 Vorstandsvorsitzender neben wurden auch die stellver-
der Bayer AG, wird seinen bis Janu- Roche Bis Ende 2009 werden tretenden Vorsitzenden Michael
ar 2010 datierten Vertrag um acht der 62-jährige William M. Burns Koller und Andreas Nitze sowie
Monate bis zum 30. September Krees (CEO der Pharma Division), der Karl-Andreas Feldhahn als Schatz-
2010 verlängern. Wennings Nach- 65-jährige Jürgen Schwiezer meister in ihren Ämtern bestätigt.
folger wird dann der Niederländer (CEO der Diagnostika Division)
Dr. Marijn E. Dekkers (51), der- und der 62-jährige Forschungs-
zeit Präsident und CEO bei Ther- chef Jonathan Knowles aus der EHRUNGEN
mo Fisher Scientific Inc. Dekkers Konzernleitung von Roche aus-
wird 2010 Vorstandsmitglied und scheiden. Ab 2010 wird der 50-jäh- Anlässlich der Vortragstagung
zunächst in Personalunion den Teil- rige Pascal Soriot, zurzeit CEO der Fachgruppe Chemieunter-
konzern Bayer HealthCare leiten. Dekkers von Genentech, als Mitglied der richt der Gesellschaft Deutscher
Arthur J. Higgins (52), Vorsitzen- Konzernleitung Chief Operating Chemiker in Frankfurt erhielt
der des Bayer HealthCare Executive Officer (COO) der Pharma Divisi- Simone Krees von der Bergischen
Committee und Vorstandsvorsit- on. Der 54-jährige Jean-Jacques Universität Wuppertal den Man-
zender der Bayer HealthCare AG, Garaud, bisher Leiter der Pharma fred-und-Wolfgang-Flad-Preis,
wird das Unternehmen im ersten Entwicklung, wird Mitglied der gestiftet vom Institut Dr. Flad in
Halbjahr 2010 verlassen. Im April erweiterten Konzernleitung und Stuttgart, und dotiert mit 4000
2010 geht der derzeitige Finanz- übernimmt die Roche Pharma Euro. Frau Krees wird für ihren
vorstand Klaus Kühn in den Ru- May Forschung und frühe Entwicklung. Vortrag „Moleküle zu Gast beim
hestand. Sein Nachfolger wird Der 50-jäh- Zuckerwirt“ auf der Fachgrup-
Werner Baumann (46), derzeit rige Dan Zab- pentagung 2008 in Potsdam aus-
Mitglied im Vorstand der Bayer rowski wird gezeichnet. Generell werden ihre
HealthCare AG sowie im Executi- als Leiter von experimentellen Arbeiten gleicher-
ve Committee dieses Teilkonzerns. Pharma Partne- maßen von Wissenschaftlern, Di-
Baumann wird ebenfalls 2010 Vor- ring ebenfalls daktikern und Lehrkräften wegen
standsmitglied. Mitglied der ihrer Anschaulichkeit und Praktika-
K o n z e r n l e i - bilität gelobt. In Frankfurt lautete
Brenntag, Weltmarktführer in Taube Gamerdinger tung. Richard ihr Vortragstitel „Auf den Spuren
der Chemiedistribution, hat den Scheller ge- der Photovoltaik - Kompaktzellen
Chemiker Steve Holland zum hört wie bisher mit Rasierscherblättern“.
374 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009
Förderungen / Preise
Der Biologe Martin Gamerdin- Preis für Analytische Hochdrucktechnik
ger und der Mediziner Christian
Taube, beide von der Johannes
Spektroskopie fördern
Gutenberg-Universität Mainz, sind Der DASp - Deutscher Arbeitskreis An der Universität Erlangen-Nürn-
die Preisträger des Boehringer In- für Angewandte Spektroskopie berg wurde die Hochdrucktechnik
gelheim-Preises 2009. Der Preis - vergibt regelmäßig den „Bunsen- maßgeblich von Prof. Dr. Siegfried
wird jährlich von der Boehringer Kirchhoff-Preis für analytische Peter geprägt und gefördert, der 20
Ingelheim Stiftung zur Förderung Spektroskopie“, um Leistungen Jahre als Ordinarius für Technische
der medizinischen Forschung an vor allem jüngerer Wissenschaft- Chemie wirkte und weit über die
der Mainzer Universitätsmedizin ler aus Universitäten, Forschungs- Universität hinaus für seine Arbeit
vergeben und ist mit 20 000 Euro instituten oder der Industrie in auf diesem Gebiet anerkannt war.
dotiert. Gamerdinger erhält den der analytischen Spektroskopie In Gedenken daran errichtete der
Preis für eine Arbeit über Protei- auszuzeichnen. Besonders er- Lehrstuhl für Thermische Verfah-
nablagerungen, wie sie beispiels- wünscht sind Arbeiten in neueren renstechnik eine Stiftung, die erst-
weise bei Alzheimer-Erkrankungen Gebieten, wie Spektroskopie im mals im Frühjahr 2010 alle zwei
auftreten. Taube wurde für seine Nanobereich, Spektroskopie an Jahre den Professor-Siegfried-Peter-
Forschungen über allergisches Biomolekülen usw. Der von der Preis verleihen wird. Ausgezeich-
Asthma ausgezeichnet. Firma Perkin Elmer mit 2500 Euro net werden junge Wissenschaftler,
ausgestattete Preis soll auf der deren Forschungsarbeit (in der Re-
Der Zoologe Dr. Reinhard Kauf- Analytica im März 2010 in Mün- gel eine Dissertation) das Gebiet
mann (72) erhielt in Gießen die chen übergeben werden. Nominie- der Hochdruckverfahrenstechnik
Justus-Liebig-Medaille in Wür- rungen können durch Mitglieder erkennbar weiterentwickelt hat.
digung seiner Verdienste um die des DASp bis zum 31.12.2009 Weitere Informationen bei Prof.
Justus-Liebig-Universität (JLU). Der an folgender Adresse eingereicht Dr. Wolfgang Arlt, Tel 09131 85
langjährige ehrenamtliche Stadtrat werden: Herrn Prof. Dr. Detlef 27440, wolfgang.arlt@cbi.uni-
und Kulturdezernent hat die Zu- Günther, Vorsitzender der Jury für erlangen.de.
sammenarbeit der Stadt Gießen den Bunsen-Kirchhoff-Preis 2010,
mit der Universität in vielfältiger Laboratorium für Anorganische
Weise gefördert. Hervorgehoben Chemie, ETH Hönggerberg, HCI,
wurde das Engagement von Dr. CH-8093 Zürich; detlef.guen-
Banken sind viel gefährlicher als Armeen.
Kaufmann im Liebig-Jahr 2003, die ther@inorg.chem.ethz.ch. Eine
Einrichtung der Liebig-Stipendien, Selbstnominierung ist ausgeschlos- Thomas Jefferson (1743 - 1826, dritter Präsident
sowie sein Beitrag zu den Jubilä- sen. Weitere Informationen unter der USA von 1801–1809).
umsfeierlichkeiten anlässlich des www.dasp.info.
400-jährigen Bestehens der Uni-
versität im Jahr 2007.
Studieren in Hamburg als Joachim Herz Fellow
In Mailand wurden die diesjährigen
Balzan-Preisträger aus vier Fach- Mit dem Beginn des Studienjahrs Herz Fellow zu werden, was die
gebieten bekannt gegeben. Sie 2009 - 2010, unterstützt die Joa- Gewährung eines Stipendiums mit
erhalten je eine Million Schweizer chim Herz Stiftung das von der umfasst. Die Joachim Herz Fellows
Franken (etwa Euro 660 000); die Bucerius Law School und der WHU für das akademische Studienjahr
Hälfte für die Finanzierung von – Otto Beisheim School of Manage- 2009/2010 sind bereits ausgewählt
Forschungsprojekten. Der Materi- ment angebotene Masterprogramm, worden. Sie sind herzlich willkom-
alwissenschaftler Michael Grätzel welches nunmehr unter dem Na- men, ein interessantes Jahr in der
(École Polytechnique Fédérale de men „Bucerius/WHU Master of schönen Hafenstadt Hamburg zu
Lausanne) wurde für die Entwick- Law and Business - Joachim Herz verbringen, welches neben einer
lung einer neuen Photovoltaik-So- Program“ angeboten wird. In einer hochqualitativen akademischen
larzelle geehrt, der Dye Sensitized ihrer ersten großen Initiativen sorgt Ausbildung in Rechts- und Wirt-
Cell (DSC-photoelektrochemische die Joachim Herz Stiftung für eine schaftsfragen auch die Möglichkeit
Zelle), besser bekannt als Grätzel- finanzielle Unterstützung des MLB- umfassen sollte, persönlichen Inte-
Zelle. Brenda Milner (Université Programms, um den bereits erwor- ressen nachzugehen und mehr über
de Montréal) erhielt den Preis im benen intensiven internationalen Deutschland, sein politisches und
Bereich der kognitiven Neurowis- Charakter des Programms weiter wirtschaftliches System und seine
senschaften für ihre Studien über zu stärken. Studierende – vor allem Einwohner zu lernen. Informati-
die Rolle des Hippokampus in der jene mit einem nicht-deutschen onen zum Bewerbungsverfahren
Gedächtnisbildung und die Iden- akademischen sowie wirtschafts- für das nächste Studienjahr werden
tifizierung verschiedener Formen wissenschaftlichen Hintergrund rechtzeitig unter www.bucerius.
von Gedächtnis. – werden ermutigt, ein Joachim whu.edu abrufbar sein.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 375
Systemdynamische Interpretation der glykolytischen Oszillationen der Hefe
Phänomene, Modelle und Folgerungen
Peter Bützer, St. Gallen/Schweiz
„Der Mensch sucht in die sachliche Wahrheit der Na- rhythmische Oszillationen der ATP-Konzentration in
tur einzudringen, aber in ihrem letzten, unfassbaren der Schirmalge (Acetabularia) [6,7]. Alle diese Oszilla-
Hintergrund sieht er wie in einem Spiegel unvermutet toren arbeiten auf Zellebene und basieren letztlich auf
sich selbst.“ einer molekularen Rückkopplung [8]. Die Regulation
Carl Friedrich von Weizsäcker (1912 - 2007) Deut- des Stoffwechsels durch Enzyme spielt hier eine min-
scher Erkenntnisphilosoph destens ebenso wichtige Rolle wie ihre katalytische
Aktivität.
Die im Folgenden diskutierte Glycolyse ist für die
Chemische Oszillationen [1] sind bei der gut bekannten Lebewesen so zentral, dass von einer Rhythmik be-
und weit verbreiteten Hefegärung gefunden worden. deutende, allgemeine Auswirkungen zu erwarten sind.
Auch an anderen Orten ist dieses Phänomen aufgetreten.
Die rhythmische Glycolyse kann mit einem einfachen Oszillationen bei der Glycolyse
Simulations-Modell der Produkthemmung (Inhibition)
und einer gleichzeitigen Verminderung der Produktkon- Die Glycolyse (griechisch: glykys = süss und lysis
zentration sehr gut beschrieben werden. Vergleiche mit = auflösen) ist der erste Teil des Glucose-Abbaus in
Messdaten bestätigen das Modell. Das Auftreten von den Zellen der meisten Lebewesen. In diesem bioche-
Oszillationen bei einer Schlüsselreaktion der Lebewesen, mischen Abbauweg wird ein Molekül Glucose in zehn
macht auf deren Bedeutung aufmerksam. Die große Sen- enzymatischen Reaktionen in zwei Pyruvat-Moleküle
sitivität des Stoffflusses zeigt diesen kritischen Parameter (Brenztraubensäure-Moleküle) umgewandelt.
auf. Es ist anzunehmen, dass die Voraussetzungen für Die Hefe (Saccharomyces cerevisiae) beschreitet
Oszillationen noch an vielen Orten des Stoffwechsels von den Glycolyse-Weg mit der Glucose und vergärt an-
Lebewesen gefunden werden. schließend die Brenztraubensäure zu einem Ethanol-
gehalt von bis zu 23 Prozent. Was Paul Karrer (April
21, 1889-1971) 1937 geschrieben hat [9]: „Die alko-
Rhythmik beim Stoffwechsel holische Gärung ist einer der interessantesten und
volkswirtschaftlich wichtigsten chemischen Prozesse“,
Die circadiane Tagesperiodik ist wohl die bekannteste gilt noch heute.
Rhythmik. Mit Erklärungen weniger beschrieben sind Die Netto-Reaktionsgleichung lautet wie folgt (Ab-
biologische Rhythmen mit wesentlich kürzerer Peri- bildungen 1 und 2):
odendauer (ultradiane Rhythmen). Hierzu gehören C6H12O6 + 2 ADP + 2 NAD+ + H2 + 2 Pi →
nebst der glykolytischen Oszillation in Hefezellen [1] 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 NADH+ + H+
beispielsweise die Aktivitätsmuster neuronaler Os- Das Modell, welches die Oszillationen bei der
zillatoren (Synapse), der Herzschlag als elektroche- Glycolyse und der Hefegärung gut beschreibt, lässt
mische Oszillation [2], Sauerstoff-Oszillationen bei sich verallgemeinern. Es kann somit erwartet werden,
Escherichia coli [3,4], Zymomonas mobilis [5] und die dass Oszillationen noch an verschiedensten Orten des
Stoffwechsels bei Lebewesen gefunden werden.
Das Endprodukt der Gärung, der Ethanol, hemmt
Prof. Dr. Peter Bützer ist Dozent für Chemie an der Pädago- die Aktivität der Hefe [10] mit einer Endprodukthem-
gischen Hochschule St.Gallen/Schweiz. Seine Interessen liegen mung (Abbildung 3).
in den Bereichen Chemie, Molekulare Dynamik, Systemdynamik Bei höheren Gehalten stirbt die Hefe ab, da Ethanol
und Risikomanagement. Daneben wirkte er auch als: Gruppenlei- ein Zellgift ist. Der genaue Grenzwert ist abhängig von
ter im Hot-Labor des Paul Scherrer Instituts; Gruppenleiter in der der Hefe und liegt zwischen 5 und 23 Prozent.
Hauptabteilung für die Sicherheit der Kernanlagen; Delegierter
der Schweiz für Radioaktive Abfälle bei der OECD und der IEA; 1
oscillating reaction: A reaction is said to be oscillating if the
Dozent für Risikomanagement und Sicherheitsökonomik an der concentration of one or more intermediates does not vary
Uni St.Gallen; Dozent an der ETH und der Uni St.Gallen bei Nach- monotonically, but passes through maximum and minimum
diplomstudien; Chef ACSD des zivilen kantonalen Führungsstabes values. IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic
St.Gallen; Experte der Eidg. Kommission für ABC-Schutz. version, http://goldbook.iupac.org/O04338.html, 2007-12-17
376 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009AUFSÄTZE
Abbildung 1:
Zwei zentrale
Substanzen der
Reaktion (das
Enzymsystem der
Hefe fehlt).
Die Entdeckungen
Die Reaktionsgeschwindigkeit hat der sächsische Staats-
chemiker Wenzel 1777 beim Auflösen von Kupfer- und
Zink-Münzen beschrieben [11]. In biologischen Syste-
men sind periodische Prozesse wichtig, man hat sie je-
doch nicht beachtet. 1920 hat Alfred James Lotka schon
rhythmische Reaktionen in organischen Systemen ge-
funden [12]. Erst 1932 wurden bei der Glycolyse, die
der zentrale und allgegenwärtige Stoffwechselweg zum
Abbau von Kohlenhydraten in allen Organismen ist,
oszillierende Schwankungen der Konzentrationen von
NAD [13] und NADH von Barth beschrieben [14]: „Die
Glycolyse funktioniert also periodisch.“ Seither ist diese
Dynamik oft untersucht worden [15], auch wenn die
Resultate nicht breit bekannt sind. Eine grundlegende
Arbeit von Higgins aus dem Jahre 1964 mit Saccharo-
myces cerevisiae [16] (Backhefe, Gest, Bäckerhefe)
beschreibt die grundlegenden Bedingungen, die erfüllt Abbildung 2: Stark vereinfachtes Schema der Glycolyse und der alkoholischen
sein müssen, dass eine Oszillation überhaupt auftreten Gärung (bei jeder Reaktion sind Enzyme auch als Regler beteiligt).
kann – und das mit einer Darstellung (Abbildung 4), die
den heutigen systemdynamischen Diagrammen sehr na- Abbildung 3: Hemmung der Kohlendioxid-Produktion durch Ethanol (Experimen-
telle Details im Anhang).
he kommt (Abbildung 5).
Für die Simulation musste Higgins einen Mathe-
matiker mit einem elektromechanischen Mark II
Analog-Computer [17] einsetzen, heute ist das auf
jedem leistungsschwachen PC mit Gratissoftware
[18] realisierbar. Eine Variation der Parameter war
damals nur mit großem Aufwand möglich. Wie die
eigene Nachbildung der Simulation von Higgins zeigt,
sind die verlangten Voraussetzungen für Oszillationen
bei der Glycolyse hinreichend, aber einige sind nicht
notwendig und führen zu negativen Konzentrationen
(Abbildung 6).
Das Higgins-Modell ist auch deshalb nicht korrekt,
weil es erstens negative Werte und zweitens eine
gedämpfte Oszillation liefert (Dokumentation: Glei-
chungen und Parameter im Anhang).
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 377Glycolytische Oszillationen
Wenn nun jede Hefezelle mit ihrem eigenen Rhyth-
mus oszillieren würde, dann wären solche Verände-
rungen von einem starken Rauschen überlagert. Daher
nimmt man an, dass eine Substanz, zum Beispiel der
Acetaldehyd, für die beobachtete Synchronisation der
Zellen sorgt [25].
Simulation (Typ 6) [26]
Das System bei der Hefegärung besteht aus dem
Edukt Glucose, dem Enzymsystem der Hefe und dem
Abbildung 4: Darstellung der oszillierenden Glycolyse: die Zeichnung von Higgins [16]. Produkt Ethanol, die Glycolyse ist dabei ein Teilpro-
zess. Wachstum und Absterben der Hefe sind weitere
Abbildung 5: Die systemdynamische Umsetzung der oszillierenden Glycolyse. Stoffflüsse (Abbildungen 7 und 8). Die Hemmung der
Gärungsgeschwindigkeit durch Ethanol, ist eine ne-
gative Rückkopplung, die Dissoziation des Ethanols
vom Enzym ein weiterer zu berücksichtigender Pro-
zess. Bei der Hefegärung konnten keine anderen spe-
zifischen Substanzen identifiziert werden, welche für
die Oszillationen verantwortlich sind [27].
Die notwendigen Reaktionsgeschwindigkeits-Kon-
stanten oder deren abgeschätzte Halbwertszeiten
für die Simulation können durch Messung bestimmt,
oder der Literatur entnommen werden (Simulations-
software: Vensim [28]).
Für die Oszillationen sind nur wenige, chemisch
sinnvolle Modelle möglich. So lässt sich beispielsweise
ein Modell, aufbauend auf der bekannten Lotka-Volter-
ra-Gleichung [29], sich nicht aufbauen und simulieren.
Modell-Parameter
Hess und Brand [19] reduzierten die Anzahl der Glucose: 100 000 [μmol]
Bedingungen, denn es ist schon mit wesentlich ein- Hefe aktiv: 1 [μmol]
facheren Systemen möglich, rhythmische chemische Hefe inaktiv: 0.1 [μmol]
Reaktionen zu beschreiben [20,21,22]. Als Konse- Ethanol: 0 [μmol]
quenz von chemischen Reaktionen ist die Oszillations- Gärungsgeschwindigkeit: kg ≈ 1e-6 [1/
Abbildung 6: frequenz selbstverständlich temperaturabhängig [23]. (Minute•μmol)] (Messung)
Simulation mit
Daraus lässt sich eine erstaunlich hohe Aktivierungs- Inhibitionskonstante3: ki ≈ 0.11 [1/(μmol•Minute)]
dem Modell nach
Higgins.
energie für die Hefe von 85 kJ/mol berechnen [24]. Dissoziationskonstante: kd ≈ ki/K [1/Minute]
Gleichgewichtskonstante: K >0 [1/μmol](die Assozi-
ation ist grösser als die Dissoziation)
Wachstumskonstante [30]: kw ≈ 0.0077 [1/Minute]
Absterbekonstante [31]: ks ≈ 0.0019 [1/Minute]
Eliminationskonstante: ke: variabler Abfluss [μmol/
Minute]
Eine detaillierte Übersicht über die in der Simulati-
on verwendeten Gleichungen findet sich im Anhang.
Oszillationen wurden auch bei den Sauerstoffkon-
zentrationen von Hefekulturen gemessen. In der
Annahme, dass sich diese gleich verhalten, wie die
Ethanolkonzentrationen, wurde ein Vergleich von
Messdaten und Simulation gemacht und einige Para-
meter adaptiert.
Der Vergleich zeigt, dass sich mit diesem Modell
die Messungen [32] mit realistischen Parametern si-
mulieren lassen (Abbildung 9).
Bei Saccharomyces cerevisiae finden sich auch noch
Rhythmen von NADH (siehe Nettogleichung) mit ei-
378 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009AUFSÄTZE
Abbildung 7:
Simulations-
diagramm der
Gärung mit
Wachstum
und absterben
der Hefe und
kontinuierlichem
Ethanol-Abfluss.
ner grösseren Frequenz, als die hier beschriebenen Überall dort, wo Enzyme ein Edukt in ein Produkt
[33,34]. Ob diese Frequenzen ein Mehrfaches der umwandeln, welches seinerseits wieder abtranspor-
Sauerstoff und Ethanolfrequenzen sind, lässt sich mit tiert wird, können Oszillationen auftreten. Diese Si-
den vorhandenen Daten nicht entscheiden. tuation ist bei sehr vielen enzymatischen Reaktionen
Folgerungen
• Die Simulation beschreibt das beobachtete Phäno-
men korrekt, dass Oszillationen bei der Hefe nur
bei kontinuierlichen Prozessen zu beobachten sind
[35,36].
• Die Gleichgewichtskontante der Bindung und Disso-
ziation von Ethanol an die Hefe muss für eine kleine
Dämpfung relativ groß sein (K ≈ 700).
• Eine Temperaturerhöhung führt über die Erhöhung
der Reaktionsgeschwindigkeits-Konstanten zu einer
größeren Oszillationsfrequenz.
• Die Verdünnungsrate, das heisst der Ethanolabfluss,
zeigt bei diesem Modell den Einfluss auf die Oszillati-
onsfrequenz nicht, wie das beobachtet wurde [37,38].
• Oszillationen sind in technischen Produktionsprozes-
sen mit „continuously-stirred tank reactors (CSTRs)“ Abbildung 8: Zeitdiagramm der Ethanolmenge mit
bekannt [39]. kontinuierlichem Ethanolabfluss, eine Oszillation.
• Ob die Oszillationen gar auf Oszillator-Genen ba-
sieren, die man seit 1976 kennt [40], kann mit den Abbildung 9: Vergleich von Simulation und Messung.
vorliegenden Daten nicht ausgeschlossen werden.
Die Simulation ist sehr empfindlich auf die Werte
der Parameter. Daraus muss der Schluss gezogen
werden, dass eine generelle, nur qualitative Analyse
dieses Systems der oszillierenden Glycolyse nicht
möglich ist.
Das ist ein weiteres Beispiel dafür, dass selbst bei
kleinen Systemen mit qualitativem Systemdenken,
dem vernetzten Denken, kaum mehr als triviale Aus-
sagen gemacht werden können.
Verallgemeinerung
Das Modell der Hefe kann leicht verallgemeinert wer-
den und kann im Stoffwechsel als Teilsystem wichtige
Aussagen und Vorhersagen machen.
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 379Glycolytische Oszillationen
in biochemischen Kreisläufen der Fall [41,42], selbst Anhang
bei Membranen [43] (Abbildung 10).
Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten für die
Produktion (kp) und den Abbau (ka) des Enzyms sind Experiment: Einfluss von Ethanol
dabei nicht entscheidend. Die Inhibition des Enzyms auf die Gärungsgeschwindigkeit von Hefe
durch das Produkt (ki) und die Gleichgewichtskon-
stante (K) dürfen in weiten Bereichen variieren, ohne Variante 1: 5g Trockenhefe + 10g Glucose + 200ml
dass die Oszillationen verloren gehen. Ganz anders H2O + 20ml H2O (bei 35°C in 250 ml Erlenmeyer auf
ist die Situation bei den Konstanten der Umwandlung Magnetrührer mit Drucksonde).
der Edukte in Produkte (ku) und der Elimination der Variante 2: 5g Trockenhefe + 10g Glucose + 200ml
Produkte (ke), diese führen nur in ganz engen Gren- H2O + 20ml Ethanol 95%ig (bei 35°C in 250 ml Erlen-
zen zu Oszillationen. Ein Stofffluss ist somit für das meyer auf Magnetrührer mit Drucksonde).
Auftreten von Oszillationen zwingend erforderlich.
Für makroskopisch beobachtbare Oszillationen ist zu- Modell-Gleichungen und
dem eine Synchronisation der vielen Einzelprozesse Parameter für das Modell von Higgins
notwendig. Die molekulare Kinetik bei Oszillationen
im Detail zu verstehen, ist auch bei einfachsten Re- (01) A = INTEG (v1-v2, 1); Units: mol [0,?]
aktionen nicht trivial [44], bei großen Systemen sind(02) B = INTEG (+v3-v4, 1); Units: mol [0,?]
bei den Modellen wesentliche Vereinfachungen not- (03) FINAL TIME = 100; Units: Second
wendig. The final time for the simulation.
Selbst Osmose kann bei einem Stofffluss auch (04) INITIAL TIME = 0; Units: Second
zu Oszillationen führen [45], dazu sind, entgegen The initial time for the simulation.
den meisten Definitionen keine semipermeablen (05) kaa= 0.2; Units: 1/Second [0,?]
Membranen notwendig [46]. Welchen Anteil diese (06) kab= 1; Units: 1/Second [0,?]
osmotischen Prozesse hier haben, lässt sich mit den (07) kba= 0.1; Units: 1/Second [0,?]
vorliegenden Messdaten nicht beurteilen. (08) kbb= 0.1; Units: 1/Second [0,?]
Folgerung: Die Modell-Simulationen machen (09) SAVEPER = TIME STEP; Units: Second [0,?]
deutlich, dass jede chemische oder biochemische The frequency with which output is stored.
Oszillation mindestens folgende drei Parameter (10) TIME STEP = 1; Units: Second [0,?]
enthalten muss: 1. Antrieb (energy), 2. Verstär- The time step for the simulation.
kung (activation) und 3. Hemmung (inhibition). (11) v1= kab*B-kaa*A; Units: mol/Second [0,?]
Es ist zu erwarten, dass im Metabolismus von Lebe-Zufluss
wesen noch viele oszillierende Reaktionen gefunden (12) v2= 0.1; Units: mol/Second [0,?]
werden. CLB Abfluss
(13) v3= kbb*B-kba*A; Units: mol/Second [0,?]
Zufluss
(14) v4= 0.1; Units: mol/Second [0,?]
„Die Menschen hatten immer ein Bedürfnis nach Erklä- Abfluss
rungen für Naturprozesse.“
Gaarder Jostein, Sofies Welt [47]
Abbildung 10:
Systemdyna-
mische Voraus-
setzungen bei
enzymatischen
Prozessen, damit
rhythmische
Muster bei
den Produkten
auftreten können.
380 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009Modell-Gleichungen und Parameter für die Hefe 0.0077; Wert nach Jentsch. Diese Konstante nimmt
mit zunehmender Temperatur zu.
(01) absterben= ks*Hefe inaktiv; Units: mikromol/ (18) SAVEPER = 5; Units: Minute [0,?]
Minute [0,?] The frequency with which output is stored.
(02) dissoziieren= ki/K*Hefe inaktiv; Units: mikro- (19) TIME STEP = 0.01; Units: Minute [0,?]
mol/Minute [0,?] The time step for the simulation. AUFSÄTZE
Der Enzym-Ethanol-Komplex wird aufgelöst, das En- (20) wachsen= kw*Hefe aktiv; Units: mikromol/Mi-
zym wird wieder aktiv. nute [0,?]
(03) eliminieren= IF THEN ELSE(Ethanol k = ln(2)/90= [12] Lotka Alfred James, Analytical Note on Certain Rhythmic
CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009 381Glycolytische Oszillationen
Reactions in Organic Systems, Proceedings of the National Institut für Biochemie der Universität Stuttgart, Dissertati-
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382 CLB Chemie in Labor und Biotechnik, 60. Jahrgang, Heft 10/2009Sie können auch lesen
