Presseinformation der LMU München
Ötzis Schönheitsgeheimnis
Gefriergetrocknet für 5300 Jahre
München, 31.03.2010
5300 Jahre Einschluss im Gletscher konnten dem wichtigsten Bestandteil im Bindegewebe des Tiroler Eismenschen „Ötzi“ nichts anhaben. Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München zeigten gemeinsam mit Kollegen der European Research Academy (EURAC) in Bozen, dass das Kollagen der Mumie und das Kollagen einer frischen Hautprobe weitgehend identisch sind. Grund für die ungewöhnlich gute Konservierung scheint die jahrtausendelange Gefriertrocknung des Ötzi im Gletschereis zu sein. In ihrer neuesten Veröffentlichung präsentiert die Arbeitsgruppe von PD Dr. Robert Stark, Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM), Untersuchungen zum Aufbau einzelner Kollagenmoleküle, zur Struktur von Molekülbündeln, den Kollagenfasern, sowie deren Elastizität. (Proceedings of Royal Society B online, 31. März 2010)
Während sich die oberste Hautschicht der Gletschermumie in den Jahrtausenden weitgehend zersetzt hat, sind die darunter liegenden Kollagenfasern des Bindegewebes nahezu unverändert erhalten geblieben. Drei 5 x 5 mm große Hautstücke der Mumie standen den Wissenschaftlern für ihre Tests zur Verfügung. Zum Vergleich untersuchten sie frisches Hautgewebe eines Mannes der etwa im gleichen Lebensalter war wie der Eismensch Ötzi.
Dabei richteten sie ihren Blick mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskopes zunächst auf die äußere Struktur einzelner Kollagenfasern. Kollagen ist ein hierarchisch aufgebautes Protein, das aus drei ineinander verwundenen Tropokollagen-Molekülen besteht. Mehrere dieser rund 300 Nanometer (nm) langen Kollagenmoleküle bilden zusammen eine Kollagenfibrille. Die Kollagenmoleküle sind parallel leicht zueinander versetzt angeordnet wodurch ein charakteristisches, sich alle 67 nm wiederholendes Bänderungsmuster entsteht. Dieses Muster ließ sich sowohl im frischen Gewebe als auch in der Probe des Ötzi in identischer Form wiederfindet. Mittels Raman-Spektroskopie untersuchten die Wissenschaftler anschließend den Aufbau einzelner Kollagenmoleküle. Auch hier stimmten die Messergebnisse der frischen und der 5300 Jahre alten Proteine überein.
Einen Unterschied konnten die Wissenschaftler jedoch feststellen: Die Kollagenfasern der Mumie sind nicht mehr so elastisch wie die aus frischem Gewebe. Um diese Materialeigenschaft zu testen, drücken sie die knapp 50 nm dünne Spitze eines Rasterkraftmikroskopes mit einer definierten Kraft auf eine einzelne Faser und heben sie wieder ab. Die Tiefe des dabei entstehenden Abdruckes zeigt, wie elastisch das Testmaterial ist. Im Fall der Kollagenfasern des Eismenschen ergab sich ein Eindruck von 0,5 nm, bei den frischen Fasern waren es 0,7 nm. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Austrocknung des Gewebes die Ursache für diese Versteifung ist. Denn frühere Arbeiten haben gezeigt, dass durch Dehydrierung neue Bindungen (Wasserstoffbrückenbindungen) zwischen Proteinen geknüpft werden, was die Elastizität der Fasern einschränkt. (NIM)
Publikation:
Janko M., Zink A., Gigler A. M., Heckl W. M., Stark R. W. Nanostructure and mechanics of mummified type I collagen from the 5300-year-old Tyrolean Iceman. Proc. R. Soc. B-Biol. Sci.; 2010;277:2301-2309. doi: 10.1098/rspb.2010.0377
System dynamics of AFM Force Spectroscopy
In this paper we present a system dynamics view on force spectroscopy experiments in atomic force microscopy. In order to do quantitative force spectroscopy experiments a comprehensive knowledge of the frequency response characteristics. For example, understand effects such as elastic response and damping in dynamic single molecule force spectroscopy the full system dynamics has to be included into the analysis. As illustrated in the Figure we discuss the influence of different excitation schemes (blue: point force and distributed load) and different read out methods (red: light lever and interferometer).The model accounts for the dynamic characteristics of the extended cantilever beam and for elastic sample properties. The system dynamics were investigated using an exact system-theoretic approach. The step and frequency responses are given for force spectroscopy experiments in the different experimental configurations.
Our approach allows us to investigate very significant dynamic aspects that simple first mode approximations cannot capture. Only extended beam models account for both poles and zeros of the transfer function and can thus reproduce important features that are related to the zero dynamics. These features include pole-zero cancellations or non-minimum phase response. Practically, a non-minimum phase response means that the experimentalist will observe a system response to a step force which first reacts against the stimulus. The possibility of non-minimum phase response in AFM is also important for the design of inverse filters as they might be used in AFM nanorobotics or advanced signal processing. The presence of zeros in the right half of the Laplace plane immediately implies that the inverse system is unstable. Other aspects we discuss include the correct analysis of energy dissipation from amplitude changes and vanishing resonance peaks due to pole-zero cancellations.
This work was done in collaboration
Rafael Vázquez from UCSD who recently moved on to Seville in Spain. This work was funded by the European Commission under grant NMP4-CT-2004-013684 (
ForceTool). RV thanks BaCaTeC for financial support.
