Signale an das Knochenmark

nervenbahnenEs ist wichtig, dass genügend Blutstammzellen vorhanden sind. Die entscheidenden Signale dafür kommen von einem Körper, der eigentlich sehr unterschiedliche Funktionen hat.

Die Tatsache, dass alles im Körper mit allem verbunden ist, ist eine Wahrheit. Fakt ist aber auch, dass Forschung oft nur durch die Fokussierung auf einzelne Organe, Gewebe und Zellen möglich ist. Die Folge ist eine zunehmende Spezialisierung in Biologie und Medizin. Der Bereich „Systembiologie“ wird jedoch immer beliebter. Es geht darum, explizit zu erforschen und zu modellieren, wie sich alles auf alles bezieht. In der Medizin nennt man das „ganzheitlich“, obwohl der Begriff etwas esoterisch ist. Wissenschaftler sind immer wieder überrascht über die Zusammenhänge, die sich manifestieren. Dasselbe gilt für Ding, Matthew Decker und seine Kollegen in ihrer neuesten Entdeckung, die in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht wurde.

Immunologen der Columbia University in New York haben in Experimenten mit Mäusen eine wichtige Signalachse zwischen zwei Organen gefunden: Ein Molekül in der Leber ist für die Produktion von Blutstammzellen im Knochenmark verantwortlich. Bis dahin wurde angenommen, dass sich das Knochenmark auf der Ebene der Stammzellen vollständig selbst reguliert. „Es war für uns eine überraschende Entdeckung“, sagt Ding, „aber im Nachhinein macht es viel Sinn. Die Leber ist das wichtigste Stoffwechselorgan überhaupt, sie ist „prädestiniert, die besten Informationen über den Gesamtzustand des Körpers zu haben“. In diesem Fall verwendet er diese Information offenbar, um einem anderen Organ mitzuteilen, wie viele Stammzellen es braucht.

Das Signalmolekül heißt Thromboputin (TPO). Dies ist der wichtigste Faktor bei der Thrombozytenbildung, einem fortgeschrittenen Stadium der Blutbildung. Sie findet lange nach der Umwandlung der ursprünglichen Stammzellen in spezielle Zelllinien statt. Das ist seit mehr als 20 Jahren bekannt. Harald Schulze, Biologe an der Universität Würzburg, erforscht das OPT seit fast ebenso langer Zeit. Von Anfang an war klar, dass es nicht nur im Knochenmark, sondern auch in der Leber und den Knochen gebildet wird. „Schulze: „Das meiste TPO wird in der Leber hergestellt. Und Erythropoietin für die Produktion von roten Blutkörperchen – „auch bekannt dafür, dass es für Blutdoping verwendet wird“ – wird hauptsächlich in den Nieren produziert. Es ist daher seit langem bekannt, dass diese Signale von anderen Behörden kommen. Neu ist jedoch, dass der so genannte Stammzellpool von diesen Fernbedienungen abhängig ist.

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Kein Signal, keine Stammzelle

New Yorker Forscher haben die Bildung von TPO bei Mäusen in der Leber blockiert. Dadurch wurde die Menge der Blutstammzellen, die die Vorläufer des gesamten Arsenals der Blutzellen sind, mit 24 multipliziert. Die gleiche Hemmung von TPO in Knochenzellen oder Knochenmark hatte wenig Wirkung.

Aus Sicht der Forscher der Columbia University zeigen die Ergebnisse, dass Blut und Immunsystem nicht nur den gesamten Körper versorgen und vor Infektionen schützen, sondern auch von der Funktion anderer Organe abhängen.

Einsatzgebiete von Quantencomputern

Aber was kann man mit der Rechenleistung eines Quantencomputers machen? Martin Hoffmann, Systemmanager bei Volkswagen, gab ein sehr anschauliches Beispiel. VW-Ingenieure wollen mit Quantencomputern Staus vermeiden. Das Pilotprojekt kombiniert traditionelle maschinelle Lernalgorithmen auf GPU-Serverfarmen mit einem leistungsfähigen Quantencomputer. Ohne Quantenberechnungen wäre es möglich zu berechnen, wo der Anstieg des Verkehrs in Echtzeit zu erwarten ist, wie Google Maps bereits gezeigt hat – aber nur mit einem Quantencomputer, so Hoffmann, könnte er in Echtzeit für jedes einzelne Auto berechnet werden, wenn es besser wäre, rechts oder links abzubiegen, um Staus früher zu vermeiden.

Der Rohstoff für diese Granulatvorhersagen sind Daten: je mehr, desto besser. Das ist zunächst nichts Neues, aber wenn man viel leistungsfähigere Computer hat, um diese Daten auszuwerten, denken Quantencomputer-Ingenieure, dass es zu einem viel besseren Lesen der Datenmuster führen kann. Catering zum Beispiel: Wenn ein Restaurant im Voraus weiß, wie viele Kunden es am Dienstagabend im Juni erwarten kann, kann es seine Einkäufe entsprechend anpassen, was bedeutet, dass es viel weniger Essen verliert.

Stephen Brobst, CTO eines großen Datenverarbeitungsunternehmens Teradata, erläuterte die potenziellen Auswirkungen einer Datenanalyse-Technologie, die im Allgemeinen leistungsfähiger ist – nicht nur Quantencomputer – mit einer Bluetooth-Zahnbürste. Wenn eine vernetzte Zahnbürste in der Lage ist, viele Daten zur Zahnpflege auszuwerten und genau zu bestimmen, welche Zähne am besten zu putzen sind, oder wenn Sie sich bei Ihrem Zahnarzt erkundigen müssen: „Was ist das richtige Produkt? Eine Zahnbürste oder der Service dahinter“, sagt Brobst.

Was ist ein Quantencomputer?

„Das revolutionäre Merkmal von Quantencomputern ist, dass sie viele Berechnungen parallel durchführen, während herkömmliche Computer sie einzeln verarbeiten. Sie können z.B. gleichzeitig nach verschiedenen Abschnitten des Telefonbuchs suchen, anstatt von A nach Z zu scrollen. Eine Suche in der Datenbank wäre viel schneller, da sie sich dem Ergebnis der Frage nähert: Wie wahrscheinlich ist das Ergebnis, das ich in diesem Abschnitt suche? Je breiter die Suche, desto größer der Nutzen des Quantencomputers.

Allerdings befinden wir uns noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Im Prinzip sieht der Kern eines Quantencomputers wie ein herkömmlicher Chip aus, ist aber jetzt viel größer. Wir produzieren Quantenschaltungen aus Computern mit sogenannten Qubits anstelle von digitalen Bits die kleinstmögliche Speichereinheit. Es gibt nicht nur klassische binäre Informationen 0 oder 1 – aktiviert oder deaktiviert – sondern auch Werte zwischen ihnen: quantenmechanische Zustände. Dadurch wird die Rechenleistung deutlich erhöht.

In unserem Forschungsansatz arbeiten wir mit Supraleitern: Diese Materialien sind nicht beständig gegen extrem niedrige Temperaturen und leiten daher sehr schnell Strom. Dies ist wichtig, denn nur wenn die Qubits ohne Probleme angeschlossen werden, haben die Chips bessere Fähigkeiten des Computers. Supraleitende Chips müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius gekühlt werden. Daher wird es in Zukunft nicht mehr möglich sein, diese Systeme auf Mobiltelefonen oder Laptops zu installieren. Unternehmen und Forschungsinstitute setzen Quantencomputer viel häufiger in großen Rechenzentren ein. Die Vorteile dieser Lösung liegen in der klaren Geschwindigkeit, nicht in der Platzersparnis.

Wie funktioniert der Quantencomputer?

Es gibt zwei wesentliche Unterschiede zwischen Quantencomputern und konventionellen Modellen. Einerseits arbeitet der Quantencomputer auf Basis der Zustände von Atomen. Eine kleine Menge ist nicht mikroskopisch, sie ist viel kleiner. Beispielsweise sind die Kohlenstoffatome unter 0,2 nm klein, nur der Abstand bei herkömmlichen Transistoren beträgt etwa 10 nm.

Der große Unterschied zwischen Quantencomputern und herkömmlichen Modellen ist der zusätzliche Zustand, den das Quantencomputer-Bit (Qubit) annehmen kann. Neben 1 und 0 kennt der Quantencomputer auch die sogenannte Kappe. Dieser Zwischenzustand erhöht die Rechenleistung Ihres Computers erheblich und ermöglicht (vielleicht) Berechnungen, die bisher undenkbar waren.

Es besteht kein Zweifel, dass die quantitative Berechnung funktioniert. Bei IBM kann jeder Interessierte einen Quantencomputer mit nur 5 Qubits verwenden. Es ist weit weniger klar, inwieweit uns das (im Interesse der Menschheit) helfen wird. Wir wissen noch nicht, ob der Quantencomputer in der Lage ist, die Probleme (komplizierte mathematische Berechnungen wie die Verteilung großer Zahlen) zu lösen, die möglich sein sollten.