Chaos lässt Quantensensoren exakter arbeiten

Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 11.04.2018

Physiker der Universität Tübingen entwickeln eine Methode, die hochempfindliche Sensoren genauer messen lässt

Quantensensoren erfassen Größen wie Temperatur, Magnetfeldstärke oder Beschleunigungen sehr genau. Und sie arbeiten noch exakter, wenn ihre Messdynamik chaotisch wird: Dies zeigen Physiker der Universität Tübingen in einer Studie, in der sie eine Methode entwickelten, mit der sich die Messgenauigkeit hochpräziser Sensoren um weitere 70 Prozent verbessern ließ. Doktorand Lukas Fiderer und Professor Daniel Braun vom Institut für Theoretische Physik nutzten in einer Computersimulation schwache Laserpulse um die Messdynamik eines Magnetfeld-Sensors zu stören. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Quantenmetrologie ist ein Teilgebiet der Metrologie, also der Wissenschaft des Messens. Sie unterscheidet sich von herkömmlichen Messmethoden, weil hier quantenmechanische Systeme wie beispielsweise Atome oder Photonen als Sensoren eingesetzt werden, die nur mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden können. Herkömmliche klassische Sensoren folgen einer regulären, vorhersehbaren Messdynamik. Sie sind so konstruiert, dass Chaos ‒ so bezeichnet die theoretische Physik Dynamiken, in denen Störungen exponentiell stark anwachsen ‒ vermieden wird, da sonst die Messung von Parametern unvorhersehbar oder gar unmöglich wird. Quantenmechanische Sensoren folgen aber anderen Gesetzen: Das sogenannte Quantenchaos muss hier keineswegs mit Unvorhersehbarkeit einhergehen.

Die Wissenschaftler berechneten deshalb, wie sich die Messgenauigkeit ändert, wenn sich der Quantensensor nicht regulär verhält, sondern „zunehmend chaotisch“. Dafür beschrieben sie mit Formeln ein physikalisches Modell und simulierten dann einen Quantensensor, das sogenannte Atomdampf-Magnetometer, und dessen Messdynamik im Computer. Diese bereits sehr genauen Magnetfeld-Sensoren enthalten in einer Glaszelle einen Dampf aus Alkali-Atomen. Befindet sich die Zelle in einem Magnetfeld, drehen sich die Atome wie kleine Kompassnadeln. Indem man mit einem Laser die Richtung der Drehung ausmisst, wird das Magnetfeld gemessen. „In der Simulation haben wir die Atome während des Messvorgangs mit schwachen Laserpulsen beschossen, damit die Messdynamik chaotisch wird“, erklärt Lukas Fiderer, der diese Forschung im Rahmen seiner Masterarbeit begann und nun dazu promoviert.

Als Ergebnis habe man eine Verbesserung der Messgenauigkeit um 70 Prozent berechnen können. Ein entscheidender Vorteil sei, dass die chaotische Dynamik so eingestellt werden könne, dass der Sensor robuster gegenüber störenden Wechselwirkungen mit der Umgebung sei. Die Wissenschaftler haben den neuen Magnetfeldsensor bereits als Patent angemeldet. „Wir hoffen, dass unser Modell bald experimentell realisiert wird und gehen davon aus, dass die Methode Anwendung in verschiedenen Quantensensoren findet. So könnte sie ein Baustein auf dem Weg zu genaueren und robusteren Sensoren sein.“

Publikation:
Lukas J. Fiderer, Daniel Braun: Quantum metrology with quantum-chaotic sensors. Nature Communications 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03623-z

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Abwehrzellen genetisch effizient verändern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 05.04.2018

Eine neue Methode ermöglicht es, Gene in lebenden T-Zellen von Mäusen schnell und effizient zu modifizieren. Als Werkzeug kommen Plasmide zum Einsatz, die sich in der Gentechnik seit Langem bewährt haben. Das berichten Forscher vom Departement Biomedizin der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel im «Journal of Immunology».

Mit molekularbiologischen Verfahren wie der als Genschere bekannten Methode Crispr-Cas9 lassen sich Gene in lebenden Zellen gezielt verändern. Nun haben Wissenschaftler das Verfahren so angepasst, dass sie damit die für die Immunabwehr wichtigen T-Zellen von Mäusen effizient genetisch verändern konnten. Diese direkte Manipulation von Immunzellen eröffnet neue Möglichkeiten für die Forschung und könnte die aufwändige Züchtung von gentechnisch veränderten Mäusen reduzieren.

Von der Maus in die Maus

Für ihre Studie entnahmen die Forscher um Prof. Dr. Lukas Jeker von Universität und Universitätsspital Basel T-Zellen von einer Maus und kultivierten sie im Labor. Verpackt in ein Plasmid – ein bewährtes Transportvehikel, um fremde Gene in Zellen einzuschleusen – brachten sie anschliessend per Stromstoss zwei Elemente in die Zellen ein: RNA-Moleküle, die an einen bestimmten Abschnitt der doppelsträngigen DNA andocken, und das Protein Cas9, das die DNA an dieser Stelle schneidet.

Durch die einsetzende, oft fehlerhafte Reparatur wird das betreffende Gen ausgeschaltet; möglich ist auch, einzelne DNA-Bausteine im Erbgut umzuschreiben. Dies ist jedoch deutlich schwieriger und weniger effizient. Zwei Tage nach der Entnahme wurden die Zellen wieder in Mäuse transferiert.

Voll funktionsfähig

Die veränderten T-Zellen überlebten in der Empfängermaus und waren voll funktionsfähig: Sie vermehrten sich, wanderten in Lymphknoten und Milz und verhielten sich während einer Infektion wie erwartet. Damit erfüllten sie die Voraussetzungen, die für einen allfälligen therapeutischen Einsatz genetisch veränderter T-Zellen erforderlich sind.

Mittels eigens entwickelten Tests konnten die Forscher die Effizienz von kleinsten, präzisen Mutationen weiter steigern. Zudem gelang es ihnen, mit der Methode eine Mutation im Foxp3-Gen zu reparieren, die in Mäusen schwere Autoimmunerkrankungen verursacht. Da sich das Verfahren einfacher Mittel bedient, ist seine Verwendung auch für Forschungsgruppen mit limitiertem Budget interessant.

«Unsere Methode erlaubt die gezielte Genchirurgie in T-Zellen und eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung des Immunsystems sowie möglicherweise auch für die Entwicklung neuer T-Zell-basierter Therapien», sagt Lukas Jeker, Professor für Experimentelle Transplantationsimmunologie und Nephrologie an der Universität Basel.

T-Zell-Therapien feiern zurzeit grosse Erfolge in der Bekämpfung von Krebs. Es besteht deshalb die Hoffnung, dass die genetische Umprogrammierung von menschlichen T-Zellen in Zukunft für die Behandlung von Krebs aber auch von Autoimmunkrankheiten, schweren Infektionen oder in der Transplantationsmedizin zur Anwendung kommen könnte. Die Forschungsgruppe arbeitet deshalb daran, die Technik zu verfeinern und auf menschliche T-Zellen zu übertragen.

Originalbeitrag:
Mara Kornete, Romina Marone and Lukas T. Jeker
Highly Efficient and Versatile Plasmid-Based Gene Editing in Primary T Cells
The Journal of Immunology (2018), doi: 10.4049/jimmunol.1701121

Externer Link: www.unibas.ch

DNA gekonnt imitiert, Virus ausgetrickst

Presseinformation der LMU München vom 02.04.2018

Künstlich geschaffene Moleküle ahmen nicht nur die Struktur ihrer natürlichen Vorbilder nach: Sie können auch deren Funktion übernehmen und diese darin sogar übertreffen, wie LMU-Chemiker Ivan Huc erstmals am Beispiel einer künstlichen DNA-Sequenz zeigt.

Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur nach, und das auf kleinster Ebene. Der Chemiker schafft mit seiner Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU künstliche Moleküle, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen, Foldamere nennt er diese. Nun ist es Ivan Huc gelungen, Eigenschaften der Oberfläche einer DNA-Doppelhelix so nachzuahmen, dass Proteine mit dem Imitat interagieren. Darüber berichtet der Chemiker, der bis Sommer 2017 an der Universität Bordeaux, Frankreich, forschte, aktuell in der Fachzeitschrift Nature Chemistry. In der Studie blockierten die künstlichen DNA-Imitate verschiedene Enzyme von Viren, darunter die HIV Integrase, durch die der HI-Virus sein Genom in die Wirtszelle einschleust. Damit könnte seine Forschung ganz neue therapeutische Ansatzpunkte eröffnen.

Hucs aktuelle Veröffentlichung baut vor allem auf zwei früheren Arbeiten auf, die ebenfalls in diesem Jahr in Nature Chemistry erschienen sind. Darin zeigte er, durch welche Interaktionsmuster künstliche Moleküle organische Formen wie die Helixstruktur annehmen können und unter welchen Umständen Ribosomen künstlichen Molekülen gegenüber tolerant sind. „Die Form bestimmt die Funktion“, erklärt Ivan Huc seinen Ansatz. In der nun neu erschienenen Studie hat der Chemiker als Basis ein künstliches Molekül entwickelt, das sich schraubenförmig falten und nach einer Art Baukasten-Prinzip vielfach modellieren lässt. So konnte Ivan Huc Oberflächeneigenschaften der natürlichen DNA-Doppelhelix imitieren. Das Imitat ist so gut geworden, dass zwei Enzyme, darunter die HIV Integrase, auf die falsche DNA hereinfallen und dadurch blockiert werden können.

Damit dies auch dann funktioniert, wenn die Enzyme sowohl die künstliche als auch die echte DNA zur Wahl haben, muss Hucs Schöpfung die Natur quasi übertreffen: „Wenn die Enzyme auch unter konkurrierenden Bedingungen an das Foldamer binden sollen, muss das Imitat besser sein als die DNA selbst“, erläutert Huc. Tatsächlich ist dies in der Studie gelungen: Die Bindung der HIV Integrase an das Foldamer war stärker als an die DNA selbst. „Obwohl das Design auf die Ähnlichkeit zur DNA abzielt, verdankt das Foldamer seine wertvollsten Eigenschaften gerade seinen Unterschieden zur DNA“, betont Huc.

Das Baukastenprinzip, nach dem sich die künstlichen DNA-Sequenzen nach Belieben gestalten lassen, eröffnet viele Variationsmöglichkeiten. In der vorliegenden Studie testete Ivan Huc die Funktion am Beispiel von Enzymen, die an eine beliebige Stelle der DNA binden. Es wäre jedoch auch denkbar, künstliche DNA-Abschnitte zu entwickeln, um Enzyme zu blockieren, die nur an bestimmte DNA-Sequenzen binden.

Publikation:
Nature Chemistry 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

technologiewerte.de – MOOCblick April 2018

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Software Engineering Essentials
Bernd Bruegge (Technische Universität München) et al.
Start: 24.04.2018 / Arbeitsaufwand: 40-56 Stunden

Externer Link: www.edx.org