Neues Antibiotikum: Täuschungsmanöver im Kleinstformat

Medienmitteilung der Universität Basel vom 15.04.2021

Antibiotika entfalten ihre Wirkung üblicherweise, indem sie in Bakterien eindringen. Das neu entdeckte Darobactin ist dafür jedoch viel zu gross. Trotzdem tötet es viele antibiotikaresistente Keime ab. Forschende am Biozentrum der Universität Basel haben nun den erstaunlichen Mechanismus dahinter enträtselt und so den Weg für die Entwicklung gänzlich neuartiger Medikamente geebnet.

Immer mehr bakterielle Krankheitserreger sind gegen Antibiotika resistent. Dabei haben die gefährlichsten Keime eines gemeinsam: Sie verfügen über eine doppelte Membran, die schwer zu durchdringen ist. Und selbst wenn antibiotische Wirkstoffe diese Hülle knacken, werden sie von den Bakterien meist gleich wieder hinausgepumpt. Doch dem kürzlich entdeckten Darobactin gelingt es, diese Schutzvorkehrungen zu umgehen und fast alle Problemkeime zu töten. Den Wirkmechanismus dahinter konnten Forschende nun in einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanzierten Projekt des Nationalen Forschungsprogramms «Antimikrobielle Resistenz» (NFP 72) aufklären.

Wie ein abgebrochener Schlüssel

In einer jetzt in «Nature» veröffentlichten Studie beschreiben sie, wie ein Täuschungsmanöver den Erfolg von Darobactin ermöglicht: Es imitiert mit seiner Form eine besondere dreidimensionale Struktur, die sonst nur diejenigen Proteine besitzen, welche von Bakterien als Bausteine für ihre äussere Membran selbst produziert werden. Die besagte Struktur ist der Schlüssel, um die Proteine an bestimmten Orten von innen her in die äussere Hülle einzupassen. Darobactin ist eine Kopie dieses Schlüssels. Doch es nutzt dies nicht, um in die Bakterien einzudringen, sondern blockiert lediglich das Schlüsselloch von aussen. So, als würde man eine Tür abschliessen und dann den Schlüssel abbrechen. Die Folge: Den Bakterien ist der Transportweg für ihre Hüllenbausteine versperrt und sie sterben.

Mit üblichen Methoden kaum erkennbar

Verwandte Mechanismen sind in der Mikrobiologie bereits bekannt und werden durch andere Medikamente verwendet. Die dabei anvisierten Bindestrukturen, oder eben Schlüssellöcher, sind in der Regel recht gross – zumindest für mikrobiologische Verhältnisse. Im Gegensatz dazu ist das von Darobactin genutzte Ziel sehr klein und mit üblichen Methoden gar nicht erkennbar. Dies, obwohl Darobactin grösser ist als die meisten Wirkstoffe und nicht einmal durch die Eintrittspforten der Bakterien passen würde.

«Das hat uns am Anfang vor Rätsel gestellt», sagen Sebastian Hiller und Timm Maier vom Biozentrum der Universität Basel, die zwei Hauptautoren der nun vorgelegten Studie. Zwar hätten sie und ihre Teams sofort erkannt, dass Darobactin nicht im Inneren der Erreger wirkt, sondern auf deren Oberfläche. Dort nämlich stört es die Funktion des Proteins BamA, das beim Aufbau der doppelten Schutzmembran eine zentrale Rolle einnimmt. «Doch wie genau Darobactin mit BamA interagiert, war völlig unklar», so Hiller. Erst durch die Kombination von mehreren Methoden kamen die Forschenden dem Vorgang schliesslich auf die Spur.

Perfekte Schwachstelle erwischt

Dabei erkannten sie, dass Darobactin eine wahre Achillesferse der Erreger angreift: Es bindet direkt an die wichtigsten, sogenannten «Rückgrat»-Atome von BamA. Weil diese Atome das Protein zusammenhalten und seine Form vorgeben, können sie kaum verändert werden – doch genau dies wäre für Bakterien der einfachste Weg, um auch Darobactin in absehbarer Zeit abzuwehren. Tatsächlich behielt Darobactin jedoch seine Wirksamkeit gegen alle Erreger, für die Hiller und sein Team Labortests durchführten, mit denen man Resistenzen künstlich erzeugen kann. Wiederum im übertragenen Sinn gesagt: Es gelang den Erregern nicht, das «geknackte» Schloss auszuwechseln.

Gezielte Entwicklung von Medikamenten

Für eine mögliche Anwendung in der Medizin seien diese Erkenntnisse ein entscheidender Schritt, sagt Infektionsbiologe Dirk Bumann, der ebenfalls an der Universität Basel forscht. Als Co-Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts AntiResist verfolgt er das aktuelle Geschehen in der Antibiotikaforschung eng. «Die Aufschlüsselung des Wirkmechanismus von Darobactin ist ein grosser Erfolg», sagt er, «denn das ermöglicht es, Darobactin gezielt zu verbessern und zu einem wirksamen Medikament zu entwickeln». Die langehegte Hoffnung auf eine neue Generation Antibiotika, die gegen viele der heutigen Problemkeime eingesetzt werden kann, erhält damit starken Auftrieb.

Originalpublikation:
Hundeep Kaur et al.
The antibiotic darobactin mimics a β-strand to inhibit outer membrane insertase
Nature (2021)

Externer Link: www.unibas.ch

Gemälde aus dem Drucker: Informatik-Masterstudent verbessert Verfahren zum Drucken von Kunstwerken

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 06.04.2021

Kann man qualitativ hochwertige Kunstdrucke mit handelsüblichen Tintenstrahldruckern herstellen? Ein Informatik-Masterstudent der Universität des Saarlandes zeigt in seiner Abschlussarbeit, dass dies geht. Dazu hat er einen Algorithmus entwickelt, der den optischen Fingerabdruck eines Gemäldes analysieren und genau reproduzieren kann.

Der Informatik-Student Navid Ansari hat sich in seiner Masterarbeit mit ‚Spektraler Reproduktion‘ beschäftigt. „Spektrale Reproduktion ist ein Verfahren, das eine exakte spektrale Kopie einer Vorlage erzeugen kann, die genau dieselben optischen Eigenschaften wie das Original aufweist“, sagt Navid Ansari. In seinem Forschungsprojekt nutzt er das Verfahren, um Aquarellgemälde zu reproduzieren. „Im Gegensatz zu einer reinen Farbkopie sieht die spektrale Reproduktion eines Gemäldes auch bei unterschiedlicher Beleuchtung genauso aus wie das Original“, ergänzt der Student. Das macht das Verfahren vor allem für Kunstdrucke in Museen oder von Künstlern interessant.

In dem neuartigen Druckverfahren werden zunächst repräsentative Punkte einer Vorlage ermittelt. Diese sogenannten „Core-Sets“ bilden das gesamte Farbspektrum des zu druckenden Bildes ab. Basierend auf diesen „Core-Sets“ berechnet ein Optimierungsalgorithmus, welche Tinten das beste Druckergebnis erzielen werden. Anders als bei bisherigen Verfahren bezieht sich der neuartige Algorithmus nicht auf die Reflexionswerte der Farben, sondern auf deren Absorptionswerte – also darauf, wie viel Licht eine mit der Farbe bedeckte Oberfläche absorbiert. „Diese Umkehrung löst eines der größten Probleme der spektralen Reproduktion, da die Komplexität der Berechnungen drastisch reduziert wird. Damit ist unser Ansatz der erste, der das Problem mit vertretbarem Rechenaufwand lösen kann, auch für größere Farb-Bibliotheken“, sagt Navid Ansari.

Die Forscher mussten dazu ihre Ausgangsmaterialien optimieren: „Herkömmliche Tintenstrahldrucker verwenden vorgefertigte Tintenpatronen, die feste optische Eigenschaften haben. Mit einer derart begrenzten Materialauswahl ist eine optimale spektrale Reproduktion nicht möglich. Deshalb mussten wir die Tintenauswahl erweitern“, sagt Navid Ansari. Dazu haben die Wissenschaftler eine Auswahl von 43 geeigneten Tinten erstellt. Der Druckvorgang wurde dann auf einem handelsüblichen Tintenstrahldrucker mit der erweiterten Tinten-Auswahl durchgeführt. Die Bilder für ihre Forschung haben die Wissenschaftler von der Künstlerin Azadeh Asadi erhalten.

Seine Masterarbeit hat Navid Ansari in der Forschungsgruppe „Computation, Appearance and Manufacturing“ am Saarbrücker Max-Planck-Institut für Informatik am Saarland Informatics Campus verfasst. Die Gruppe unter Leitung des promovierten Informatikers Vahid Babaei untersucht, wie das volle Potenzial moderner Fertigungsmethoden wie zum Beispiel 3D-Druck oder Lasermarkierung ausgeschöpft werden kann. „Wir erforschen, welche Möglichkeiten in neuen Geräten stecken und entwickeln die Algorithmen, um sie optimal zu nutzen“, sagt Vahid Babaei. Aufbauend auf Navid Ansaris Ergebnissen werden die Informatiker künftig unter anderem erforschen, wie die Konzepte hinter dem neuartigen Optimierungsalgorithmus in anderen Kontexten wie beispielsweise dem 3D-Druck die Materialauswahl verbessern können.

Externer Link: www.uni-saarland.de

technologiewerte.de – MOOCblick April 2021

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:

Railway Engineering: An Integral Approach
Rolf Dollevoet (TU Delft)
Start: 14.04.2021 / Arbeitsaufwand: 24-36 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Schneller und einfacher Zugriff auf Maschinendaten

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.04.2021

Daten sind die Währung der Zukunft. Aber wie können Unternehmen auf die immensen Datenmengen aus ihrem Maschinenpark zugreifen, um die Produktion zu modernisieren? Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA haben mit StationConnector eine Software entwickelt, die die Daten ausliest und sie beliebigen Anwendungen zur Verfügung stellt. Die IPA-Informatiker haben ein eigenes Unternehmen gestartet und gehen mit der Software auf den Markt. Data Coffee – so der Name der Ausgründung.

Nicht nur das schiere Volumen, auch die Vielfalt der Daten steigt in Produktionsunternehmen exponentiell an. Richtig genutzt, können sie von großem Nutzen für die Planung und Optimierung von Geschäftsprozessen sein. Doch ein Maschinenpark ist in der Regel inhomogen, er umfasst Geräte verschiedener Generationen und Hersteller mit nicht aufeinander abgestimmten Formaten und Protokollen – gerade in mittelständischen Unternehmen ist dies häufig der Fall. Aufgrund der unterschiedlichen Steuerungen und Schnittstellen ist es problematisch und aufwendig, Maschinendaten abzugreifen und auszuwerten.

Bindeglied zwischen Steuerungstechnik und IT

Genau hier setzt die Software StationConnector an, indem sie eine einheitliche Schnittstelle über alle Anlagen hinweg bietet. So kann sie Daten einfach und anwendungsspezifisch zwischen Industrieprotokollen, Steuerungen und beliebigen IT-Systemen vermitteln. Station Connector stellt Parameter wie etwa Stromverbrauch, Drehgeschwindigkeit, Temperatur und Winkelposition beliebigen Anwendungen einheitlich zur Verfügung – unabhängig davon, welche Auslesegeschwindigkeit diese erfordern. »Maschinelles Lernen erfordert eine hohe Datenrate, Monitoring dagegen kommt mit einer geringen Rate aus. Mit StationConnector etablieren wir quasi eine unabhängige Softwareebene zwischen den Anlagen und den Systemen oder Datenbanken, die diese Daten später nutzen«, informiert Marcus Defranceski, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA in Stuttgart. Gemeinsam mit seinen Kollegen Fabian Böttinger und Fabian Schulz hat der Informatiker den Daten-Dolmetscher entwickelt. Das große Plus: StationConnector bietet Unternehmen maximale Flexibilität, diese können ihre Maschinendaten nun eigenständig und unabhängig verwalten und nach Bedarfslage anpassen. Denn oftmals wissen Firmen noch nicht, wie sie ihre Produktion modernisieren wollen und in welcher Form sie die Daten benötigen. »Mit unserer Software müssen sich Produktionsunternehmen nicht zu früh und zu schnell festlegen«.

Liegen die Daten dann im richtigen Format vor, kann beispielsweise die Anlageneffizienz ausgewertet, die Produktionskapazität erhöht oder datenbasierte Geschäftsmodelle etabliert werden. Die Einsatzmöglichkeiten definiert der Kunde. »Durch die verfügbaren Daten wird eine neue Transparenz geschaffen, die eine bessere Produktionssteuerung erlaubt und Potenziale in der Prozessoptimierung aufdeckt«, sagt der Informatiker.

Informatikkenntnisse sind für die Bedienung der Software nicht erforderlich, die Konfiguration ist selbsterklärend. Die Maschinen können während der Installation weiterlaufen. Bei der Auswahl der benötigten Informationen und Variablen gibt es keine Beschränkung, der Kunde entscheidet, welche Daten er verarbeiten will. Ein automatisiertes Auslesen lässt sich einrichten, um Produktionseinbußen rechtzeitig zu erkennen und schnell auf Ausfälle reagieren zu können.

StationConnector interpretiert die unterschiedlichsten Protokolle, die modular erweiterbar sind. Die Software läuft sowohl auf dem lokalen Einzel-PC als auch auf Produktionsservern und in der Cloud. Die ausgelesenen Daten lassen sich auf den meisten mobilen Geräten und Desktoprechnern graphisch darstellen, um einen ersten visuellen Eindruck zu vermitteln.

Ausgründung Data Coffee gestartet

Die Software hat sich im Praxiseinsatz bewährt, sie ist bereits in Produktionsbetrieben im Einsatz. Auf dem Teststand am Fraunhofer IPA läuft sie im Dauereinsatz.

Seit Februar dieses Jahres können interessierte Unternehmen die Software lizenzieren. Marcus Defranceski und seine beiden Kollegen vom Fraunhofer IPA haben mit Data Coffee ein eigenes Unternehmen gestartet. Die Ausgründung hat ihren Sitz in Horb. Zunächst wird StationConnector weiter für produzierende Betriebe optimiert, nächstes Jahr wird die Software dann auch Anlagenherstellern zur Verfügung stehen, um diesen den Weg zu neuen, eigenen digitalen Geschäftsmodellen zu erleichtern.

Externer Link: www.fraunhofer.de