NTNU – Fakultet for naturvitenskap og teknologi – Side 7

..om å ta seg av kunnskap

Blogginnlegg sammen med Astrid Lægreid (ikke på bildet) fra Institutt for kreftforskning og molekylær medisin:

Vi overser ofte at vi ikkje alltid, når vi har publisert forskingsresultata våre, har tilbode den nye kunnskapen til forskingsverda på best muleg måte. I dag er biomedisinsk forsking i stor grad avhengig av datamaskinar for å kunna analysere og integrere ulike typar data og fakta. Og sjølv om datamaskinar er ein kraftfull reiskap, er det vanskeleg for dei å tolke det som for oss er så lett å forstå når vi les ein vitskapeleg publikasjon.

Sjølv om mykje forsking er gjort for å betre datamaskinene sine ferdigheiter innan tekstanalyse, til dømes innanfor fagområdet tekstgruvedrift (‘text mining’), forblir mange fakta og mykje ny kunnskap nedgravne i publikasjonane våre. Dei blir vanskeleg å finne fordi vi ofte brukar ord som har mange tydingar, til dømes namn som er morosame (sonic hedgehog) men som ikkje gir meining for ein datamaskin, eller vi nemner fakta i ein kontekst som endrar meiningsinnhaldet på ein avgjerande måte (til dømes ved å bruke det enkle ordet ‘ikkje’). Derfor må vi komme datamaskinane i møte og hjelpe dei med å forstå den verkelege kunnskapen som vi har gøymd så godt i teksten. Dette blir særleg interessant når ein ønskar å nå målet vi har sett oss for forskingsprosjekta våre her ved NTNU: bruke systembiologi for å finne ny biologisk innsikt.

Systembiologi er i stor grad basert på at datamaskinar handterer kunnskap om biologiske system eller prosessar (som celledeling; eller regulering av gen-aktivitet). Det er ventande at systembiologi, brukt til å forstå humanbiologi, vil opne for vesentleg ny innsikt som kan danne grunnlag for eit betre helsevesen. Systembiologi er gjort muleg gjennom framskritta i laboratorieteknologi som gjer at vi no kan skaffe oss store mengder data om prosessar, celler og organ i kroppen vår. Når desse data er tolka og publisert, kan systemskala biomedisinsk kunnskap integrerast i datamodellar som i neste omgang kan bidra til betre handtering av sjukdom gjennom høgare medisinskfagleg presisjon. For å lukkast med dette må vi ta oss av denne kunnskapen på ein god måte.

I forskingsarbeidet vårt har vi utvikla ei rekke datamodellar for cellelinjer som vi brukar i laboratoriet. Kvar gong måtte vi skaffe oss informasjonen vi trong for desse modellane ved å lese mange vitskapelege artiklar fordi berre ein liten del av informasjonen vi trong for modellane var tilgjengeleg i databasar. Dette fekk oss til å tenke på at det ville vera storvegs om i alle fall ein del av informasjonen for slike modellar fanntest lett tilgjengeleg for datamaskinar: informasjon for genregulering. Ein liten, men viktig del av dette er kunnskap om systemet som koplar informasjonen i ein spesifikk type protein, transkripsjonsfaktorar, med spesifikke DNA-sekvensar i nærleiken av genene (attkjenningssete, eller transkripsjonsfaktor-bindingssete): dette systemet koplar protein-verda med DNA-verda og dikterer kva for nokon genene som er aktive og kva for nokon av dei som held seg inaktive. Vi har nettopp sett i gang ein stor innsats for å bygge kunnskapsbasar for menneske og to av dei viktigaste modellsystema: mus og rotte (1, 2).

Vi veit sjølvsagt at DNA bindande transkripsjonsfaktorar berre er ein liten del av det komplekse systemet for genregulering. Og det vil trengast ei svært stor gruppe forskarar for å ta seg av det store mangfaldet av kunnskap om genregulering som finnst i den vitskapelege litteraturen. Der er vi heldige som ikkje er aleine om å innsjå kor viktig dette er. Vi har funne fram til forskarar frå heile verda som er villige til å gå sammen med oss i eit globalt konsortium for å ta vare på, eller ‘kurere’ kunnskap om genregulering (på norsk kjenner vi uttrykket ‘kurere’ i samband med kuratorar som legg til rette for kunst- eller museumsutstillingar; på engelsk er ‘curate/curator’ gjengs innanfor fagfeltet kunnskapshandtering).

Vi diskuterer no korleis vi best kan strukturere eksisterande tiltak og sette i gang nye for sammen å bygge opp ein serie av kunnskapsdatabasar og –ressursar som dekker heile genreguleringsfeltet for alle organismane som blir studerte i dag. Eksisterande databasar og ressursar representerte innanfor konsortiet omfattar mellom anna Gene Ontology, PAZAR, TFCat, TFactS og RegulonDB og vi har med DBD og IntAct frå European Institute of Bioinformatics (EBI). Eksisterande og nye ressursar skal byggast vidare på ein måte som gjer det lett å integrere informasjonen inn i datamodellar. Konsortiet kallast «Gene Regulation Consortium» (GRECO) og blir leia av oss.

Målet vårt er å utvide det som vi no gjer for DNA-bindande transkripsjonsfaktorar frå menneske, mus og rotte, til å omfatte heile genreguleringsfeltet – med mange ulike regulatoriske protein og –RNA og mange ulike strukturelle og funksjonelle DNA-element som til sammen sørger for at genreguleringssystemet finstiller genaktivitetane til spesifikke cellulære funksjonar – og å gjera dette for alle organismane.

GRECO har som mål å:

Fremje samhandling innanfor fagfeltet genregulering

Vurdere og forbetre ‘state of the art’-annotasjon av komponentar og mekanismar i genregulering

Identifisere sams initiativ, unngå dobbeltarbeid, fylle gap i kunnskapsressursar

Utvide og samordne ontologiar og kontrollerte vokabular

Fremje sameinte datautvekslings-format

Fremje sameinte retningslinjer som kan sikre kvalitet på ‘kurering’ av genreguleringskunnskap

Tiltrekke oss finansiering for å støtte opp under samhandling og for å sette i gang ny ‘kurerings’-aktivitet

Vi har nettopp, med finansiell støtte frå NTNU, organisert det første GRECO-arbeidsmøtet, som satellittmøte til The Seventh Conference of the International Society for Biocuration, ISB2014. Møtet var 5. april på Universitetet i Toronto og samla partnarar frå Storbritannia, Sveits, Tyskland, USA, Mexico, Brasil og Saudi-Arabia. Vi drøfta ideane våre for konsortiet og la grunnlaget for ein samla strategi for å skaffe finansiering frå internasjonale kjelder som NIH i USA og Horizon2020 i Europa, og frå nasjonale kjelder som NFR.

Vi planlegg å presentere noko av arbeidet ved Virtual Physiological Human (VPH) Conference 2014 i Trondheim, september 2014. VPH ønskar å bidra til å utvikle persontilpassa medisin ved å legge til rette for å bygge sterkare tverrfagleg samhandling mellom livsvitskapane, matematisk vitskap og ingeniørkunst over heile spekteret av grunn-, translasjons- og anvendt forsking.

Referansar

1)Tripathi S, Christie KR, Balakrishnan R, Huntley R, Hill DP, Thommesen L, Blake JA, Kuiper M, Lægreid A. Gene Ontology Annotation of Sequence specific DNA-binding Transcription Factors: Setting the Stage for a Large Scale Curation Effort. Database Aug 27; bat062 2013.

2) Chawla K; Tripathi S; Thommesen L; Lægreid A; Kuiper M. TFcheckpoint: a curated compendium of specific DNA-binding RNA polymerase II transcription factors. Bioinformatics 2013 ;Volume 29.(19) p. 2519-2520.

Kvalt av parasitter

På øya Aldra har gråspurvene dobbelt så mange parasitter i seg som gråspurvene på naboøyene. Hvorfor er det slik og hvilke konsekvenser har det for spurvebestanden? Parasitter har ofte blitt oversett av bestandsforskere som vil forklare svingninger i bestander. Vitenskapelige studier i senere tid har vist at sykdommer og parasitter kan ha store innvirkninger på naturlige bestander. I mitt doktorgradsarbeid har jeg studert parasitter på 4 øyer ved Helgelandskysten.

Forholdet mellom parasitt og fugl
Målet med forskningsprosjektet jeg deltok i var å se om infeksjon av en parasittart (Syngamus trachea) kunne ha sammenheng med overlevelse og reproduksjon av gråspurv på øyer ved Helgeland (Nordland). Vi ville også se hvordan andelen av infiserte gråspurver varierte i tid og rom, for deretter å se hva som kunne forklare endringen i andelen infiserte spurv.

Ved å bruke disse bestandene som et modellsystem ville vi også kunne se på generelle mekanismer som påvirker forholdet mellom parasitter og deres verter i ville bestander.

Blodtørstig parasitt
Parasitten Syngamus trachea er en nematode som sitter i pusterøret og suger blod fra fuglen. Parasitten legger deretter egg i pusterøret som spurven hoster opp og svelger. Eggene går deretter ut i avføringen som vi tar prøver av og kan dermed si hvem som er infisert eller ikke.

Stor forskjell
Vi fant ut at det var store forskjeller mellom øyer i andel spurv som var infisert. Den øya med de mest innavla gråspurvene (Aldra) hadde også høyest andel infiserte spurv. Vi fant også ut at de som er tungt infisert har større sannsynlighet for å dø og produserer også færre avkom.

Vi så også at andelen infiserte spurv økte etter en mild og våt vinter, som hadde sammenheng med globale værfenomen.

Mildere vintre kan gi flere parasitter
Konklusjonen fra prosjektet er at parasitten kan potensielt ha innvirkning på bestandene gjennom negative effekter på individers overlevelse og reproduksjon. Hvis klimaet ender seg slik at vi får mildere vintre, kan også forekomsten og effekten av parasitten øke i fremtiden.

Ved å bruke vårt system som en modell for andre bestander, håper vi å si noe om den generelle effekten av parasitter på bestander og konsekvensen av global oppvarming på disse systemene.

Supersterk og formbar aluminium

PhD Candidate Min Zha. Photo: Per Henning/NTNU

I mitt ph.d.-prosjekt har jeg tatt i bruk en ny teknologi for framtidig produksjon av metaller med indre struktur på nano-nivå. Jeg har studert to forskjellige typer av aluminium (aluminium inneholdende magnesium og aluminium inneholdende vismut) med denne teknologien.

Målet mitt var å finne en hensiktsmessig prosess for å produsere aluminium med ekstremt høy styrke kombinert med god deformasjonsevne. Slike materialer kan fremstilles ved å manipulere strukturen på atomnivå og samtidig sørge for at kornstrukturen er på nano- eller mikrometernivå.

Mitt prosjekt ble veldig vellykket
1) Jeg var i stand til å designe en prosess der aluminium som inneholder magnesium hadde styrke tilsvarende høyfaste stål. Siden både aluminium og magnesium er veldig lett i vekt, kan den høye styrken åpne opp for innovative produkter i mange sektorer, for eksempel for avanserte komponenter i biler, mobiltelefoner, datamaskiner, fly, undervannskonstruksjoner eller sportsutstyr.

2) For aluminium som inneholder vismut, oppnådde jeg en høy styrke og en optimal fordeling av vismut partikler i aluminiumen. Også her var den rette kombinasjonen av indre struktur på liten skala årsaken til suksess. Jeg mener at dette materialet er en kandidat for nye og bedre produkter som for eksempel bærende komponenter i biler. Siden vismut er mykt, har dette materialet selvsmøringsegenskaper. Dette er viktig for en lang rekke produkter vi omgir oss med i hverdagen.

Populær teknologi
Den anvendte teknologien har navnet ECAP som står for ‘Equal Channel Angular Pressing’. Teknologien har sett økende og verdensomspennende interesse i forskningsmiljøene det siste tiåret. ECAP-teknologien gir mulighet for meget høy deformasjonsevne i materialet samtidig som formen er konstant. Dette gjør prosessen tilgjengelig for videre bearbeiding til avanserte produkter med komplekse former. I forskningsmiljøene anses ECAP- prosessen for å være en av de mest interessante teknologiene for produksjon av metaller med nanostruktur.

Hva er en teoretisk fysiker?

Takket være den ustoppelige Sheldon Cooper og resten av mannskapet i den populære komiserien «The Big Bang Theory», har verden fått et innblikk i hvordan livet er for unge fysikere – både på og utenfor campus. De løser kompliserte ligninger dag og natt og har alltid flere tavler for hånden i deres leilighet. De bruker sin fritid på å se Firefly med ekstra kommentarer, og sitter oppe hele natten for å kjempe mot orkene i World of Warcraft – ja, The Big Bang Theory-fysikere omfavner virkelig den indre nerden. Men hvor nøyaktig er bildet presentert sammenlignet med hverdagen til en fysiker ved, la oss si NTNU?

Ikke langt fra sanningen
Jeg antar at svaret er avhengig av hvem du spør, men overraskende mye er sant! Nå har for så vidt ikke alle teoretiske fysikere avsatt en del av sin bokhylle til en limited edition Batman beltespenne, men jeg tror det er rimelig å si at de fleste av oss omfavner den indre nerden når det gjelder vår lidenskap for fysikk. En teoretisk fysiker er et nysgjerrig vesen – han eller hun er drevet av et ønske om å utforske, forstå og forklare det ukjente. Tenk deg at du er i stand til å oppdage en ligning som beskriver et fysisk fenomen, og at du er den første som noen gang skriver ned denne ligningen. Dette er hva teoretiske fysikere gjør! De undersøker hemmeligheter i naturen og eksponerer de både i form av et matematisk språk og i form av hvordan man tolker ligningene fysisk.

Trenger sosiale ferdigheter
Noen mennesker tror kanskje at fysikere er sære, vanskelige vesener ute av stand til å samhandle sosialt med ande mennesker. Dette er veldig langt fra sannheten. Å være en fysiker innebærer ofte veldig mye interaksjon med andre forskere, spesielt fra andre deler av verden. Denne oppgaven kommer med ansvar: det er viktig å forstå i det minste de grunnleggende elementene i kulturen til forskeren som du kommuniserer med for å kunne behandle de med respekt og forståelse. Jeg har samarbeidspartnere både i USA og i Japan, og jeg kan forsikre dere om at disse kulturene er svært forskjellige. Dette påvirker måten jeg kommuniserer på og uttrykker meg selv med mine samarbeidspartnere. Å være en teoretisk fysiker lar deg bli kjent med helt ulike deler av verden og lære om hva disse kulturene verdsetter og verner. Interessant nok, lærer du også å kjenne deg selv bedre i denne prosessen.

Nysgjerrig på hvordan verden fungerer
Livet til en teoretisk fysiker er veldig spennende. Du finner deg selv dag etter dag ved grensen av hva vi vet om naturen og hvordan den fungerer, og du er en del av å skyve grensen lenger fram med din forskning. Hvis du er et nysgjerrig menneske som liker matematikk og ønsker å forstå hvordan verden fungerer, kan jeg varmt anbefale å utforske verden til teoretisk fysikk – enten du eier et komplett sett av Star Trek DVD-er eller ikke.

Mer informasjon om teoretisk fysikk ved NTNU

Hvordan lage det perfekte batteriet til en elbil?

Carl Erik Lie Foss - Institutt for materialteknologi

For å kunne konkurrere med bensinbiler må elbiler ha batterier med lang rekkevidde og lang levetid. Samtidig er det avgjørende at batteriet er trygt i det temperaturintervallet som benyttes. Batterigruppen ved NTNU jobber med å finne den perfekte sammensetningen av et lithium-ionbatteri.

Det er lithium-ion batterier som er de absolutt vanligste i elbiler i dag, selv om det finnes alternativer. Denne batteritypen brukes fordi de både består av lette og forholdsvis billige komponenter (lithium og karbon) og de kan lagre mye energi.

Hot stuff
En utfordring med batterier til bruk i elbiler er at de må kunne fungere ved både høye og lave temperaturer. De termiske egenskapene til batteriet er derfor også viktige. Spesielt den øvre temperaturgrensen er viktig med tanke på sikkerhet. Hvor høyt kan man gå før de indre reaksjonene i batteriet fører til selvanntennelse og brann? Dette er viktig spørsmål å besvare når man vil sette batteriet inn i en bil.
Artikkel: E24 – Bil – Tesla tok fyr

Hva må være på plass?
Vi i batterigruppen ved NTNU har prøvd å identifisere viktige parametere for å produsere gode lithium-ionbatterier som er både termisk stabile og har lang levetid. Et mål har også vært å komme fram til batterier som kan operere ved lavere temperaturer enn det de gjør i dag, slik at de kan levere god kapasitet om vinteren og i kaldere klima.

Hovedkomponentene
De kjemiske sammensetningene av komponentene i batteriet er avgjørende for dets egenskaper. Et lithium-ionbatteri består av to elektroder, en separator som hindrer direkte kontakt mellom elektrodene (som vil føre til kortslutning), og en elektrolytt som har som jobb å «bære» strømmen fra den ene elektroden til den andre, gjennom separatoren.

Ved opplading av batteriet vil lithium-ioner reise fra den ene elektroden (ofte LiMO2, der M typisk kan være kobolt, jern, eller mangan) og inn i den andre elektroden, som vanligvis er av karbon. Kapasiteten til batteriet avgjøres av hvor mange lithium-ioner man får plass til inne i karbonstrukturen per gram karbon. Vi har derfor sett på ulike karbonoverflater og deres lagringskapasitet når det kommer til lithium-ioner.

Kjemiske reaksjoner
Samspillet mellom karbonelektroden og elektrolytten vil også i stor grad påvirke batteriets lagringskapasitet og termiske stabilitet. En kjemisk reaksjon mellom de to elementene gjør at det dannes en film på elektroden. Vi har derfor sett på reaksjonene mellom forskjellige karbonoverflater og elektrolytter. Vi har også studert hvilke temperaturer de kjemiske reaksjonene gir og hvilke faktorer som kan være med på å påvirke dette.

Vi har funnet at overflaten til karbonet i samspill med en spesiell elektrolyttkomponent, ethylenekarbonat (EC), er viktig. Kort fortalt vil et lavt, aktivt overflateareal på karbonet, kombinert med høye nok mengder EC i elektrolytten gi batteriet både god langtidskapasitet og god termisk stabilitet.

Videre arbeid
Utfordringen med å ha ethylenekarbonat (EC) i elektrolytten er at alt for høye mengder av det fører til potensielt høyere motstand i systemet, noe som påvirker kapasiteten negativt. Det kan også gi dårligere egenskaper ved lave temperaturer fordi EC kan størkne ved relativt høye temperaturer og redusere eller stoppe ledningsevnen til elektrolytten.

Dette er noe batterigruppa ved NTNU vil jobbe videre med i fremtiden. En mulig erstatter er allerede lokalisert i propylenekarbonat (PC), som har vist langt bedre egenskaper ved lave temperaturer. PC har selvfølgelig andre utfordringer å ta hensyn til, men det får kanskje komme i et senere blogginnslag.

Nyttige lenker?
How Lithium-ion Batteries Work (Artikkel fra HowStuffWorks)
The Electrochemical Energy Research Group ved NTNU

Blyfrie materialer for miljøvennlig elektronikk

Astri Bjørnetun Haugen - institutt for materialteknologi

Til daglig omgir vi oss stort sett alle med elektronisk utstyr som inneholder en rekke helse- og miljøskadelige stoffer. Dette er stoffer som for eksempel blyoksider i piezoelektriske materialer.

Pizoelektriske materialer er en type materialer som brukes i alt fra mobiltelefoner til barneleker. Grunnen er at materialene deformeres når de påføres elektrisk spenning, eller motsatt, genererer elektrisk spenning når de deformeres.

Denne egenskapen gjør at disse materialene anvendes for eksempel til å nøyaktig dosere ut blekk i blekkskrivere eller til å sende og motta ultralydbølger til medisinsk avbildning. Det finnes blyfrie piezoelektriske materialer, men ennå ikke med tilstrekkelig funksjonalitet til å kunne erstatte de dominerende blyholdige.

Orden i kaos
I min doktoravhandling har jeg hatt som mål å bidra til framstillingen av bedre blyfrie pizoelektriske materialer. Jeg har i hovedsak jobbet med orientering av kornene – eller byggesteinene – i (blyfrie keramiske piezoelektriske) materialene. Hvis alle kornene i materialet er orientert i samme retning, kan man påføre elektrisk spenning i den mest optimale retningen og dermed oppnå bedre respons enn når alle kornene er tilfeldig orientert.

Store og små partikler
For å framstille blyfrie piezoelektriske keramiske materialer med en spesiell kornorientering brukte jeg store, plate- eller nåleformede partikler blandet med små partikler uten noen spesiell form. Ved å dra en slags «kam» gjennom blandingen rettet jeg alle de store partiklene i samme retning, og ved påfølgende varmebehandling grodde de små partiklene i samme retning som de store. Materialet fikk dermed en ordnet struktur.

To typer materialer
To ulike typer keramiske materialer ble undersøkt, ett bestående av grunnstoffene kalium, natrium, niob og oksygen, det andre av barium, titan, kalsium og oksygen. I begge systemene førte den spesielle orienteringen til høyere piezoelektrisk respons (mer deformering ved påført elektrisk spenning) i noen retninger sammenlignet med materialer med en tilfeldig kornorientering.

Ett skritt nærmere mer miljøvennlig elektronikk
I tillegg til arbeidet med å lage en spesiell kornorientering, ble strukturen på atomnivå studert ved bruk av røntgenstråler med høy energi, og forbedrede fremstillingsmetoder for tette, blyfrie piezoelektriske keramer ble utviklet. Alt i alt bidrar denne doktoravhandlingen til å øke forståelsen av blyfrie piezoelektriske materialer og med det bidra til utviklingen av mer miljøvennlig elektronikk.

Inorganic Materials and Ceramics Research Group ved NTNU