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Fachgespräch Wirkmechanismen elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder auf biologische Systeme – Von der Molekulardynamik-Simulation bis zum Experiment

Fachgespräch Wirkmechanismen elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder auf biologische Systeme – Von der Molekulardynamik-Simulation bis zum Experiment Vom 23. bis 25. Mai 2022 fand in München ein vom BfS organisiertes internationales Fachgespräch zu Wirkmechanismen elektrischer und magnetischer Felder ( z.B. der Stromversorgung) und elektromagnetischer Felder ( z.B. des Mobilfunks) auf Zellen, Organe und andere biologische Systeme, statt. Internationale Expert*innen aus den Fachgebieten Dosimetrie , Biologie und theoretische Biophysik präsentierten den aktuellen Stand der Forschung im Bereich der Wechselwirkungen von elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern mit Biosystemen. Ausgehend von großen Gewebestrukturen wie der Haut über einzelne Zellen bis hin zu Proteinen und Quanteneffekten wurden Wirkmechanismen dargestellt und interdisziplinär diskutiert. Die beobachteten Effektstärken, insbesondere von Magnetfeldern, sind sehr klein im Vergleich zu thermischen Effekten, die uns täglich umgeben. Es ist weitere Forschung notwendig, um die Wirkung von elektromagnetischen Feldern auf komplexe biologische Prozesse besser zu verstehen. Worum geht es? In den meisten Ländern der Welt ist die Bevölkerung mittlerweile nahezu ununterbrochen exponiert gegenüber vom Menschen verursachten elektromagnetischen Feldern. Nach wie vor wird erforscht, ob schwache Magnetfelder (unterhalb der Grenzwerte) biologische Effekte auslösen können, die möglicherweise von gesundheitlicher Relevanz sind. Ein erster Schritt zu einem Verständnis gesundheitlicher Wirkungen ist die Identifikation der physikalischen Wechselwirkungen von elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern ( EMF ) mit Teilen des menschlichen oder tierischen Körpers. Diese können sehr unterschiedliche Größen haben: von Gewebestrukturen wie etwa der Haut über einzelne Zellen bis zu Proteinen und schließlich den Eigendrehimpulsen ( sog. Spins) von ungepaarten Elektronen in Molekülen (Radikale). Im Rahmen des Fachgesprächs diskutierten international anerkannte Expert*innen aus Dosimetrie , Biologie und theoretischer Biophysik den aktuellen Stand der Forschung und offene Fragestellungen. Wie ist die Ausgangssituation? Seit Jahrzehnten werden Studien initiiert, die einen Zusammenhang von schwachen magnetischen Feldern (unterhalb bestehender internationaler Grenzwertempfehlungen) und möglichen gesundheitsrelevanten Wirkungen untersuchen. Vereinzelt gibt es in epidemiologischen oder experimentellen Studien Hinweise darauf. Mechanismen zur Erklärung solcher Wirkungen sind bisher nicht nachgewiesen. Seit Jahren werden verschiedene biophysikalische Effekte erforscht. Einige davon stehen momentan im Fokus, weil es neue Erkenntnisse gibt. Dazu zählen unter anderem der Radikalpaar-Mechanismus (bei diesem ändern äußere Magnetfelder chemische Reaktionen, bei denen Moleküle mit ungepaarten Elektronen beteiligt sind), die Protein-Fehlfaltung (die Entwicklung von großen Molekülen in einen stabilen Zustand, der nicht dem natürlichen Zustand entspricht) oder die Reaktion neuronaler Netzwerke (in Netzwerken zusammenhängende Nervenzellen) auf äußere Felder. Welche Ziele verfolgte das Fachgespräch? Das Fachgespräch diente als Austausch zwischen Expert*innen aus Fachgebieten, die das volle Spektrum vom Molekül bis zum Menschen abdecken. Neben dem aktuellen Stand der Forschung waren die Identifikation offener Fragen und die interdisziplinäre Diskussion zentrale Anliegen des Fachgesprächs. Folgende Punkte fanden dabei besondere Beachtung: Was sind die derzeit am meisten diskutierten und nicht geklärten biophysikalischen Wirkmechanismen, die gesundheitsrelevant sein könnten? Welche theoretischen und experimentellen Methoden werden derzeit für deren Erforschung verwendet? Welche Rolle spielt das Rechnen mit Supercomputern in der Erforschung der Wirkmechanismen? An dem hybrid abgehaltenen Fachgespräch nahmen über 50 Expert*innen (davon 22 in Präsenz) aus sieben Ländern (Deutschland, Österreich, Frankreich, Großbritannien, Finnland, Italien und Japan) teil. Welche Ergebnisse lieferte das Fachgespräch? Aufgrund der sich auf verschiedenen Größenbereichen (Organe, einzelne Zellen, Proteine) abspielenden Effekte werden die Ergebnisse in drei Themenkomplexen zusammenfasst: Effekte auf atomarer oder subatomarer Ebene (Quanteneffekte), Wirkungen auf Proteinfaltung und Wirkungen auf Körpergewebe. Effekte auf atomarer oder subatomarer Ebene (Quanteneffekte) Den Radikalpaar-Mechanismus versteht die Forschung inzwischen relativ gut, verglichen mit anderen möglichen nicht-thermischen Wechselwirkungseffekten von Magnetfeldern und biologischen Systemen. Das liegt vor allem an Studien zum Orientierungssinn verschiedener Tierarten. Die in Radikalpaaren auftretenden Wechselbeziehungen (Fluktuationen) zwischen Spin-Systemen bewegen sich hin und her zwischen zwei charakteristischen Zuständen: dem Singlett-Zustand und dem Triplett-Zustand. Ein externes Magnetfeld , wie z.B. das Erdmagnetfeld, kann die auftretenden Fluktuationsraten und damit chemische Reaktionen beeinflussen, deren Endprodukte vom Spin-Zustand der beteiligten Radikale abhängen. In der Untersuchung des Radikalpaar-Mechanismus bieten kombinierte Quantenmechanik- und Molekulardynamik-Simulationen einen - im Experiment unzugänglichen - Einblick in die Abläufe der beteiligten Reaktionen, weshalb man vom "rechnergestützten Mikroskop" spricht. Bisher simulierte Systeme zeigen sehr kurze Radikal-Lebensdauern, welche die bei Zugvögeln beobachtete Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern nicht vollständig erklären können. Die bei Tieren bekannten Radikalpaar-Reaktionen benötigen Licht und entsprechende Lichtrezeptoren, die der Mensch nicht besitzt. Bisher sind im Menschen somit keine chemischen Prozesse bekannt, bei denen der Radikalpaar-Mechanismus eine Rolle spielen könnte. Es wird allerdings weiter dazu geforscht. Wirkung auf Proteinfaltung Generell ist die Wirkung von schwachen EMF auf große Moleküle wie Eiweiße äußerst gering im Vergleich zur üblichen Molekülbewegung bei Raumtemperatur (Brownsche Molekularbewegung). Das Einbinden von Magnetfeldern in Simulationsstudien bedarf weiterer Forschung. Eine offene Frage ist, wie Magnetfelder molekulare Transportprozesse beeinflussen und ob Teile von Molekülen andere Moleküle binden können. Eine große Schwierigkeit stellt nach wie vor dar, dass Simulationen auf Atomebene nur kleinste Sekundenbruchteile berechnen können, aber biologische Prozesse Sekunden dauern. Wirkung auf Körpergewebe Um ermitteln zu können, wie groß EMF sind, die in biologischem Gewebe erzeugt werden, wird insbesondere bei niedrigen EMF -Frequenzen (unterhalb von 1 MHz ) auf computergestützte Verfahren zurückgegriffen. Dafür ist eine Verbesserung der Datenlage hinsichtlich der dielektrischen Eigenschaften von Geweben erforderlich. Mittels bildgebender Verfahren, wie z.B. der Magnetresonanztomographie, ist es möglich, sehr detaillierte Körpermodelle zu erstellen, mit denen z.B. Schwellenströme zur Erzeugung von Phosphenen (flackernde Lichterscheinungen am Blickfeldrand bei hohen Feldstärken) sehr realistisch simuliert werden können. Eine offene Frage besteht hinsichtlich der mikroskopischen Größenskala, bis zu der man noch von Leitfähigkeit und Permeabilität als makroskopischen Größen sprechen kann: Ist es das Mitochondrium (Kraftwerk der Zelle) oder doch die ganze Zelle? Stand: 19.02.2025

BfS trauert um Gründungspräsidenten

BfS trauert um Gründungspräsidenten Am 15. Dezember 2023 ist der frühere Präsident des Bundesamtes für Strahlenschutz ( BfS ), Alexander Kaul, im Alter von 89 Jahren verstorben. Das BfS trauert um eine fachlich wie menschlich hoch geschätzte Führungspersönlichkeit, die das Amt prägte, wie es nur die wenigsten gekonnt hätten. Kaul beriet die Bundesregierung nach der Reaktorkatastrophe von Tschornobyl (russ.: Tschernobyl) im Jahr 1986 und leitete das BfS von dessen Gründung 1989 bis 1999. Alexander Kaul promovierte am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main. Anschließend leitete er an der Freien Universität Berlin die Abteilung für Physik und Strahlenschutz in der Nuklearmedizin des Klinikums Steglitz. Nach seiner Habilitation lehrte er parallel dazu an der medizinischen Fakultät am Klinikum Steglitz sowie an der Fakultät für Physik der Freien Universität Berlin. Dort prägte er das Fach Medizinische Physik in Deutschland wesentlich mit. 1981 übernahm Alexander Kaul die Leitung des Instituts für Strahlenhygiene des Bundesgesundheitsamtes in Neuherberg bei München. Daraus ging 1989 das BfS mit Hauptsitz in Salzgitter hervor, dem er bis 1999 als Präsident vorstand. Alexander Kaul leitete das BfS aus Überzeugung und kämpfte mit großer Entschlossenheit für den Strahlenschutz. Er war Urheber wegweisender Strategien und Projekte auf diesem Gebiet. Als Strahlenschutz-Experte war Alexander Kaul national und international hoch geschätzt. Er wirkte in verschiedenen nationalen und internationalen wissenschaftlichen Organisationen für Strahlenschutz und Physik und erhielt diverse wissenschaftliche Auszeichnungen. 1983 wurde ihm das Bundesverdienstkreuz am Bande, 1988 das Bundesverdienstkreuz 1. Klasse verliehen. Menschlichkeit und Respekt im Miteinander durften in Alexander Kauls Einsatz für den Strahlenschutz nie fehlen. Für seine Mitarbeiter*innen war er nicht nur Vorgesetzter, er war zugleich Lehrer, Mentor und Vorbild. Seine inspirierende und wertschätzende Art wird in Erinnerung bleiben. Das Mitgefühl der Beschäftigten des BfS gilt seiner Frau und seinem Sohn. Stand: 19.01.2024

The multiple function of the breast cancer susceptibility gene 1 (BRCA1) in plants

Das Projekt "The multiple function of the breast cancer susceptibility gene 1 (BRCA1) in plants" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Botanisches Institut, Molekularbiologie und Biochemie durchgeführt.

Teilprojekt C 03: Enzymatischer Abbau von Mikroplastik

Das Projekt "Teilprojekt C 03: Enzymatischer Abbau von Mikroplastik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fachgruppe Chemie, Arbeitsgruppe Biochemie III durchgeführt. Obwohl die meisten Kunststoffe sehr biostabil sind, gibt es klare Belege dafür, dass Mikroben diese Materialien enzymatisch abbauen können. Durch die Kombination verschiedener biochemischer und experimenteller Techniken mit Computersimulationen wollen wir verstehen, welche Eigenschaften ein Enzym haben muss, um Kunststoffe effizient angreifen und abbauen zu können. In dieser Hinsicht wird das kürzlich entdeckte Enzym PETase, das PET abbauen kann, als Modellsystem dienen. Dieses Enzym ist besonders interessant, da es strukturell und funktionell eng mit der Enzymegruppe der Cutinasen verwandt ist, von denen einige Vertreter auch PET angreifen können, wenn auch weniger effizient. Andere Cutinasen sind dazu jedoch nicht in der Lage. Darüber hinaus wollen wir nach neuen Enzymen suchen, die Kunststoffe wie zum Beispiel Polystyrol abbauen.

Messungen des Radiumsgehaltes in Brauch- und Abwaessern sowie Getraenken

Das Projekt "Messungen des Radiumsgehaltes in Brauch- und Abwaessern sowie Getraenken" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Strahlenzentrum, Institut für Biophysik durchgeführt. Es ist zu erwarten, dass der Radiumgehalt der Trinkwaesser in Abhaengigkeit von den geologischen Verhaeltnissen in der Bundesrepublik Deutschland schwankt. In Ergaenzung zu der Erhebung ueber die externe Strahlenexposition der Bevoelkerung soll eine Erhebung ueber die Radiumkonzentration im Trinkwasser der Bundesrepublik Deutschland erfolgen, um Schwankungsbreite eines Beitrages zur inneren Strahlenexposition - in diesem Falle des Knochens - zu erfassen. Speicherung aller anfallenden Daten im EDV-System BIBIDAT. Es wird eine umfassende Erhebung des Radiumgehaltes von Trinkwasser in der Bundesrepublik Deutschland in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen durchgefuehrt. Die Daten werden vom Bundesgesundheitsamt gesammelt und im EDV-System BIBIDAT gespeichert. Darueber hinaus werden Abwaesser sowie Getraenke (Bier, Wein, Milch) in bezug auf ihren Radiumgehalt untersucht. Damit soll versucht werden, den Beitrag des mit Fluessigkeiten aufgenommenen Radiums zur inneren Strahlenexposition zu erfassen.

Verhalten von Einzelzellen nach Bestrahlung

Das Projekt "Verhalten von Einzelzellen nach Bestrahlung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Strahlenzentrum, Institut für Biophysik durchgeführt. Reparaturprozesse; Strahlenwirkung/Hefe; Zellstoffwechsel.

Messung der natuerlichen und durch Fallout bedingten Radioaktivitaet in der Luft und in Lebensmitteln

Das Projekt "Messung der natuerlichen und durch Fallout bedingten Radioaktivitaet in der Luft und in Lebensmitteln" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität des Saarlandes, Fachbereich Theoretische Medizin, Fachrichtung Biophysik und Physikalische Grundlagen der Medizin durchgeführt.

Biologische Wirkung beschleunigter schwerer Ionen

Das Projekt "Biologische Wirkung beschleunigter schwerer Ionen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Strahlenzentrum, Institut für Biophysik durchgeführt. Die Wirkung beschleunigter schwerer Ionen (bis zu Uranionen) mit spezifischen Energien bis zu 10 MeV/u wird an Hefezellen untersucht. Es kommen hierbei sowohl feuchte als auch trockene Systeme zum Einsatz. Die untersuchten Parameter sind Ueberlebensverhalten sowie biochemische zellulaere Veraenderungen.

Teilprojekt B01: Die soziale Ökologie von Weideflächen in sich verändernden Savannen

Das Projekt "Teilprojekt B01: Die soziale Ökologie von Weideflächen in sich verändernden Savannen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) - Bereich Pflanzenernährung durchgeführt. Die Ausbreitung invasiver Pflanzenarten ist ein Nebeneffekt von geplantem Landnutzungswandel in afrikanischen Savannen. Eine rasche Verbuschung von Weideflächen ist daher zu beobachten. Wir quantifizieren die Ausbreitung der Arten hier, und in Migrations-Korridoren von Rindern, bestimmen deren Determinanten und ermitteln Effekte auf die Lebensgrundlage pastoraler Gruppen im zentralen KRV. Durch die Kombination der Erkenntnisse trägt das Projekt zum Verständnis zukunftsorientierter Praktiken von Nutzern betroffenen Weideflächen bei und analysiert Effekte und Muster der Transformation.

Theorie der Schaedigung von Einzelzellen, Geweben und Populationen durch externe Einfluesse

Das Projekt "Theorie der Schaedigung von Einzelzellen, Geweben und Populationen durch externe Einfluesse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Gießen, Strahlenzentrum, Institut für Biophysik durchgeführt. Kontinuierliche Kulturen; Strahlenschaeden; Systemtheorie.

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