Archiv des Monats: April 2009

Mikrokapseln mit Zuckerglasur

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 30.04.2009

Mikrokapseln mit asymmetrischer Membran könnten Arzneimittel gezielt zu Krankheitsherden bringen

Medikamente gezielt zu Krankheitsherden zu transportieren, wird jetzt realistischer: Chemiker am Max-Planck-Institut für Kolloid-und Grenzflächenforschung haben Mikrokapseln in wässriger Umgebung hergestellt, die das ermöglichen könnten. Die Wände der Vesikel bestehen außen aus dem Zucker Glukose und innen aus Polyethylenoxid. Der asymmetrische Aufbau erlaubt es, der äußeren und inneren Schicht unterschiedliche Aufgaben zuzuweisen. So könnten die Mikrokapseln in dem Polyethylenoxid Arzneimittel einhüllen und über ihre zuckrige Oberfläche an bestimmten Zellen, wie etwa Tumorzellen, andocken. (Chemical Communications, 28. März 2009; DOI: 10.1039/b820887e)

Paul Ehrlich, der 1908 den Medizin-Nobelpreis erhielt, wollte Krebsmedikamente in „Zauberkugeln“ zu Tumoren schleusen. In Mikrokapseln sollten die Wirkstoffe zum einen unbeschadet in die erkrankten Regionen des Körpers gelangen. Zum anderen sollten sie die Wirkstoffe, die auch gesunde Zellen schädigen, nur in Tumorzellen abgeben, um die Nebenwirkungen zu reduzieren. Diesem Ziel sind Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam nun einen Schritt näher gekommen: Sie haben Mikrokapseln, Vesikel, mit einer asymmetrischen Membran konstruiert.

Außen tragen die Vesikel Moleküle des Zuckers Glukose. Auch auf der Oberfläche vieler Zellen sitzen Zuckermoleküle, die, zusammen mit Proteinen, bei der Kommunikation zwischen Zellen eine große Rolle spielen. Das gilt auch für kranke Zellen. Daher könnten zuckerdekorierte Mikrokapseln helfen, Wirkstoffe in Krankheitsherde einzuschleusen. Das Innere der Kapseln ist mit Polyethylenoxid gefüttert, das als Trägermaterial für Arzneistoffe dienen kann. „Wenn wir die Außen- und Innenwand unterschiedlich beschichten, können wir dafür sorgen, dass die Mikrokapseln mit ihrer Innenwand Wirkstoffe aufnehmen und auf ihrer Außenwand Sensoren für kranke Zellen tragen“, sagt Helmut Schlaad, der an den Arbeiten am Potsdamer Max-Planck-Institut maßgeblich beteiligt war.

Um Vesikel zu bauen, deren Äußeres sich vom Inneren unterscheidet, verwendeten die Forscher ein Blockcopolymer. Das eine Ende des langen Kettenmoleküls besteht aus Polyethylenoxid, am anderen Ende der Kette hängen Zuckermoleküle, wie Lampen an einer Lichterkette. Sowohl die Zucker als auch das Polyethylenoxid sind wasserlöslich. Dazwischen besteht die Kette aus wasserunlöslichen Gliedern. „Im Wasser haben wir beobachtet, dass das Polymer Vesikel formt“, sagt Schlaad.

Eine Reihe weiterer Untersuchungen haben den Forschern dann Hinweise gegeben, wie die Wände der Vesikel aufgebaut sind. Demnach lagern sich die Kettenmoleküle zu einer Membran aneinander, so dass nur die wasserlöslichen Teile der Polymere in Kontakt zu dem Medium kommen. Das heißt, die unlöslichen Teile liegen in der Membran, während die wasserlöslichen die Oberflächen bilden. Dabei legen sich die Kettenenden mit dem Polyethylenoxid und die Enden mit den Zuckermolekülen jeweils ordentlich nebeneinander – so ergibt sich die Asymmetrie. Und da eine Kugel die günstigste Möglichkeit bietet, das Wasser völlig von den wasserunlöslichen Teilen fern zu halten, bilden sich Vesikel.

Dass die Membran asymmetrisch aufgebaut ist und die Glukose außen auf den Mikrokapseln sitzt, fanden die Forscher mit Hilfe der zweidimensionalen Kernresonanzspektroskopie (NMR) und der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) heraus, die Moleküle besonders empfindlich nachweist. Für letztere mischten sie Nanopartikel aus Gold unter die Mikrokapseln im Wasser. Im SERS-Spektrum haben sie dann erkannt, dass die Goldpartikel mit den Zuckermolekülen eine lose Verbindung eingegangen sind. Der Zucker muss daher auf der Außenhaut der Kapsel sitzen. Und Helmut Schlaad hat auch eine einfache Erklärung dafür: Glukose ist besser wasserlöslich und kann die Vesikel besser stabilisieren als Polyethylenoxid. Zudem beanspruchen die Glukosemoleküle an der Grenzfläche zum Wasser mehr Platz als die Polyethylenoxidkette und besetzen daher die Außenseite.

Damit die Vesikel künftig einmal als Vehikel für Arzneimittel dienen können, müssen die Forscher noch einige Probleme lösen, Denn die Kapseln müssen einen Wirkstoff am Krankheitsherd auf Befehl abgeben. „Daher arbeiten wir an Vesikeln, deren Membran auf den pH-Wert oder die Temperatur reagiert und dabei entweder durchlässig wird oder sich gleich ganz auflöst“, sagt Schlaad. Außerdem wollen er und seine Kollegen künftig Vesikel mit einer Hülle aus anderen Zuckern bauen, wie etwa Galaktose oder Mannose: „Auf diese Weise wollen wir die Oberfläche gezielt so gestalten, dass sie in Kontakt zu bestimmten Zellen treten kann.“ [PH/JD]

Originalveröffentlichung:
Helmut Schlaad, Liangchen You, Reinhard Sigel, Bernd Smarsly, Matthias Heydenreich, Alexandre Mantion and Admir Masic
Glycopolymer vesicles with an asymmetric membrane
Chem. Commun., 28. März 2009; DOI: 10.1039/b820887e

Externer Link: www.mpg.de

Auf der Spur von Tausenden von Schwingungen chemischer Bindungen in der Zelle

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Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 27.04.2009

Freiburger Biophysiker entwickelt Infrarot-Spektroskopie weiter

Proteine sind die molekularen Maschinen in den Zellen. Um ihre Funktionsweise verstehen zu können, ist es notwendig in sie hineinzusehen und die bei ihrer Arbeit ablaufenden Veränderungen auf einem molekularen Niveau verfolgen zu können. Dies ist möglich mit Hilfe von Infrarotspektroskopie, speziell der so genannten Fourier-Transform Infrarot-Spektroskopie (FTIR), welche die Schwingungen der einzelnen chemischen Bindungen in einem Protein und deren Veränderungen während der Arbeit des Proteins detektieren kann. Ein FTIR-Spektrum eines typischen Proteins setzt sich jedoch aus mehreren 10000 Einzelschwingungen zusammen, so dass es mühsam und oft auch gar nicht möglich ist, die interessierenden Schwingungsbanden zu isolieren und zu identifizieren.

Eine mögliche Lösung dieses Problems ist der Einbau von künstlichen Bausteinen in ein Protein mit speziell auf die spektroskopischen Anforderungen zugeschnittenen Eigenschaften. Die Azidogruppe zum Beispiel besteht aus drei Stickstoffatomen, deren chemische Bindung in einem isolierten spektralen Bereich absorbiert. Dieser Bereich ist nicht von anderen Proteinschwingungen überlagert, und die Azido-Gruppe wäre somit eine für die Spektroskopie ideale Sonde. In einer Zusammenarbeit zwischen Dr. Shixin Ye und Dr. Thomas P. Sakmar von der Rockefeller University in New York und Dr. Reiner Vogel vom Institut für Molekulare Medizin und Zellforschung an der Universität Freiburg ist es nun gelungen, diese Gruppe in den für das Sehen zuständigen Lichtrezeptor Rhodopsin, ein Membran-Protein, an verschiedenen Stellen gezielt einzubauen und ihre Veränderungen bei der Aktivierung des Rezeptors mit FTIR-Spektroskopie im Detail zu verfolgen. Die Wissenschaftler berichten im renommierten Fachjournal Nature Chemical Biology unter dem Titel „FTIR analysis of GPCR activation using azido probes“ über die Ergebnisse ihrer Forschung.

Hierbei wurde eine vor allem von Dr. Peter G. Schultz am Scripps Institute (La Jolla, USA) entwickelte Methode für die Anwendung an der sehr wichtigen Klasse der G Protein-gekoppelten Rezeptoren, zu denen auch das Rhodopsin gehört, erweitert. Während Zellen ihre Proteine normalerweise aus einem begrenzten Repertoire von Bausteinen, den natürlichen Aminosäuren, zusammenbauen, werden sie hier durch molekularbiologische Methoden dazu gebracht, an bestimmten Stellen gezielt eine künstliche Aminosäure einzubauen, welche die oben genannte Azido-Gruppe trägt. Mit dieser Methode konnten erstmals Rezeptoren gewonnen werden, die an für die Aktivierung wichtigen Schaltpunkten des Proteins mit einer Azido-Gruppe markiert waren. FTIR-spektroskopische Untersuchungen ermöglichten es nun, das für die Aktivierung notwendige Aufbrechen und Schließen von elektrostatischen Schaltern innerhalb des Rezeptors durch die spektralen Veränderungen der maßgeschneiderten Sonden zu verfolgen. Diese Methodik ermöglicht somit grundlegende Erkenntnisse zur Funktionsweise dieser Rezeptoren.

Externer Link: www.uni-freiburg.de

Optischer Silizium-Chip bricht alle Rekorde

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Presseinformation des KIT (Karlsruhe Institute of Technology) vom 24.04.2009

Forscher am KIT erreichen in internationaler Zusammenarbeit das Vierfache der bisherigen Höchstgeschwindigkeit – Veröffentlichung in Photonics Nature

Ein internationales Forscherteam hat einen Chip entwickelt, der viermal leistungsfähiger als der bisherige Rekordhalter ist. Er verspricht ein preiswerteres und schnelleres Internet und die Verarbeitung größerer Bilddatenmengen. Die Wissenschaftler, unter ihnen vier Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), setzten dabei auf die Kombination von Organischer Chemie und Silizium-Technologie. Ihren Erfolg publizierten die Forscher in der April-Ausgabe von Photonics Nature.

Die Gruppe habe „das Beste aus zwei Welten zusammengebracht“, sagt Professor Jürg Leuthold vom Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ). Die Wissenschaftler haben ein organisches Material entwickelt, das auf bislang unerreichte Weise hohe optische Qualität mit der Fähigkeit kombiniert, Lichtsignale zu übertragen. Das internationale Team unter der Leitung von Leuthold und dem Karlsruher Professor Wolfgang Freude fand eine technische Lösung dafür, dieses Material in die Silizium-Chip-Technologie zu integrieren, sodass es in Geräten der optischen Telekommunikation eingesetzt werden kann. Und diese enorm verbessern soll: „Der Chip kann die Daten von 2,6 Millionen Telefonanrufern verarbeiten“, so Leuthold.

In einem Experiment haben die Forscher die Funktionalität der ultra-schnellen Datenverarbeitung nachgewiesen. Der Chip ermöglichte es ihnen, ein optisches Datensignal, das bei 170,8 Gigabit pro Sekunde arbeitet, so umzuschreiben, dass daraus vier Datenströme mit 42,7 Gigabit pro Sekunde entstanden – die anschließend auf elektronischem Wege weiter verarbeitet werden können. Indem der Chip die Daten auf optischem Wege prozessiere, so erklärt Leuthold, „kann man die durch die Elektronik bedingten Geschwindigkeitslimits um einen Faktor vier – und noch mehr – überschreiten“.

Es ist seit Jahren bekannt, dass Daten mit optischen Mitteln weit schneller verarbeitet werden können als auf elektronischem Wege. Aber noch niemandem war bislang der Nachweis gelungen, dass man mit billigem Silizium bei Bitraten weit über der Schallgrenze von 100 Gigabit pro Sekunde arbeiten kann. Dabei tüftelten Forscher auf der ganzen Welt seit Jahren eifrig an der Weiterentwicklung der Siliziumtechnologie. So meldete die Firma Intel erst kürzlich die erste optische Signalverarbeitung bei 40 Gigabit pro Sekunde.

Die Tatsache, dass die Forschergruppe um Leuthold und Freude diesen Rekord um den Faktor vier überboten hat, beruht darauf, dass die Forscher einen neuen Weg beschritten haben: Die Licht führenden Bahnen auf ihrem Silizium-Chip haben im Gegensatz zu den Licht führenden Wellenleitern der Konkurrenz einen feinen Spalt in der Mitte. Er ist gerade einmal 100 Nanometer breit – im Vergleich dazu ist das menschliche Haar 700mal dicker. Den Spalt füllten sie mit einem neuartigen organischen Molekül auf – und dieses verhalf dem optischen Wellenleiter zu ultra-schnellen Eigenschaften. Dabei erhitzen die Forscher das Material bis zur Dampfphase, in der sie es auf die Siliziumstruktur legen. Danach bildet es einen homogenen festen Zustand aus. So füllen die Moleküle den Spalt komplett und gleichmäßig – und verhindern Streuverluste: „Das war der Durchbruch“, so Leuthold.

Für den Karlsruher Forscher ist die Wahrscheinlichkeit groß, „dass wir auch bei höchsten Bitraten weiterhin mit Silizium arbeiten können“. Die Erfolgsgeschichte von Silizium, die vor 61 Jahren mit der Entwicklung des ersten Transistors begann, könne ihre Fortsetzung finden: „indem wir in den kommenden Jahren das Silizium so modifizieren, dass wir optische Signale bei Geschwindigkeiten jenseits des mit Elektronik Machbaren verarbeiten können“. (ele)

Externer Link: www.kit.edu

Wenn Nanoforscher andere Saiten aufziehen

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Presseinformation der LMU München vom 23.04.2009

Auf dem Weg zur „künstlichen Nase“

Selbst einzelne Moleküle müssen in chemischen Analysen aufgespürt werden. Für diesen hochempfindlichen Nachweis wurden in der Nanoforschung winzige Saiten entwickelt, die charakteristische Schwingungen zeigen. Dockt das gesuchte Molekül an eine der Saiten an, wird diese schwerer und schwingt messbar langsamer. Bislang fehlte es allerdings an der praktischen Umsetzung solcher „Nano-Elektromechanischer Systeme“, kurz NEMS. LMU-Physikern gelang in diesem Bereich jetzt ein Durchbruch: Sie konstruierten aus einem nichtleitenden Material Nanosaiten, die elektrisch einzeln angeregt werden und zu Tausenden auf einem Chip gefertigt werden können. So ließe sich etwa eine hochempfindliche „künstliche Nase“ realisieren, um unterschiedliche Moleküle – etwa Schadstoffe – einzeln nachzuweisen. Die neuartigen NEMS könnten aber auch als winzige Taktgeber in Handy-Uhren und in einer Vielzahl von anderen Anwendungen zum Einsatz kommen. (Nature, 22. April 2009)

Der sichere, schnelle und kostengünstige Nachweis einzelner Moleküle ist für die chemische Analytik von großer Bedeutung. Ein mögliches Verfahren stammt aus der Nanotechnologie: Das sind sogenannte „Nano-Elektromechanische Systeme“ oder NEMS. Hier kommen Saiten mit Durchmessern von 100 Nanometern – entsprechend einem zehntausendstel  Millimeter – zum Einsatz, die zu charakteristischen Schwingungen angeregt werden können. Werden diese Saiten entsprechend chemisch beschichtet, docken Moleküle dort an – und zwar jeweils nur eine Art von Molekül je Saite.

Durch die Verbindung mit dem Molekül wird die Saite etwas schwerer, so dass sie etwas langsamer schwingt. „Eine Messung der Schwingungsperiode ermöglicht also, chemische Substanzen molekülgenau nachzuweisen“, erklärt Quirin Unterreithmeier, der Erstautor der Studie. „Im Idealfall sitzen auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels dann mehrere Tausend Saiten, die jeweils hochspezifisch ein bestimmtes Molekül erkennen – damit ließe sich etwa eine äußerst empfindliche ‚künstliche Nase‘ bauen.“

Bislang aber scheiterte die Umsetzung solcher Systeme noch an technischen Schwierigkeiten, unter anderem an der Anregung und Messung der Schwingungen. Zwar können die Nanosaiten über eine magnetomechanische, piezoelektrische oder auch elektrothermische Anregung zum Schwingen gebracht werden. Dies setzt aber voraus, dass die Nanosaiten aus Metall bestehen oder zumindest metallisch beschichtet sind, was wiederum die Schwingungen stark dämpft und eine empfindliche Messung verhindert. Einzelne Moleküle können damit kaum detektiert werden. Darüber hinaus wird das Unterscheiden der Signale verschiedener schwingender Saiten erschwert.

Das neu entwickelte Verfahren umgeht nun diese Schwierigkeiten. Quirin Unterreithmeier, Dr. Eva Weig und Professor Jörg Kotthaus vom Center for NanoScience (CeNS) und der Fakultät für Physik der LMU und dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich (NIM)“ konstruierten ein NEMS, in dem Nanosaiten einzeln mittels dielektrischer Wechselwirkung angeregt werden – welche etwa auch für „elektrisch aufgeladene“ Haare im Winter sorgt. Entsprechend diesem physikalischen Prinzip werden die Nanosaiten aus dem elektrisch nicht leitenden Material Silizium-Nitrid in einem elektrischen Feld zur Schwingung angeregt, und diese Schwingung dann gemessen.

Das zur Anregung erforderliche elektrische Wechselfeld wurde zwischen zwei Goldelektroden nahe der Saite erzeugt. Die Messung der Schwingung leisteten zwei weitere Elektroden. „Diesen Aufbau haben wir mittels Ätzverfahren hergestellt“, berichtet Weig. „Er ließe sich aber ohne großen Aufwand in zehntausendfacher Wiederholung auf einem Chip realisieren. Durch eine geeignete Verschaltung muss nur die Adressierbarkeit der einzelnen Saiten gewährleistet sein.“ Alles in allem sollte dies eine technisch leichte Übung sein – und einen Durchbruch in der chemischen Analytik erlauben. Doch auch jenseits der „künstlichen Nase“ sind Anwendungen denkbar. So könnten die Nanosaiten unter anderem in Handy-Uhren als Taktgeber zum Einsatz kommen. Auch als ultrascharfer Filter für elektrische Signale in der Messtechnik ließen sich die neuartigen Resonatoren verwenden.

Die Studie entstand im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich (NIM)“, das es sich zum Ziel gesetzt hat, funktionale Nanostrukturen für Anwendungen in der Informationsverarbeitung und den Lebenswissenschaften zu entwickeln, zu erforschen und zur Einsatzreife zu bringen. (NIM/suwe)

Publikation:
„Universal transduction scheme for nanomechanical systems based on dielectric forces“,
Quirin P. Unterreithmeier, Eva M. Weig, Jörg P. Kotthaus
Nature, 23 April 2009
doi:10.1038/nature07932

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Elektro-Smog auf der Platine

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2009

Je kleiner Bauteile in elektronischen Schaltungen werden, desto stör-anfälliger sind sie: Sitzen die Bauteile zu dicht, können sie sich beeinflussen. Ein Nahfeldscanner spürt solche schwachen Felder präzise auf. Mit ihm lassen sich auch Bankkarten besser vor Betrügern schützen.

Ihre Winzigkeit ist ihre Stärke – und ihre Schwäche. Egal ob im Handy, Auto oder Computer: Elektronische Komponenten werden immer kleiner und leistungsfähiger. Je kleiner sie sind, desto schneller können sie schalten und desto weniger Energie brauchen sie für jeden Schaltvorgang. Allerdings schrumpfen mit dem Energiebedarf auch die Störabstände. »Die Schaltungen werden mit jeder Generation anfälliger«, weiß Thomas Mager von der Fraunhofer-Einrichtung für Elektronische Nanosysteme ENAS in Paderborn. »Noch vor wenigen Jahren bedurfte es mehrerer Volt, um die zwei- bis dreihundert Millionen Transistoren eines Gigahertz-Prozessors aus dem Takt zu bringen. Heute reichen mitunter schon ein paar hundert Millivolt, um Millionen von Transistoren zu stören.« Für die Designer elektronischer Schaltungen bedeutet dies, dass sie sich zunehmend Gedanken um die elektromagnetische Verträglichkeit machen müssen: Es geht nicht mehr nur darum, größere elektronische Einheiten – etwa Handy und mp3-Player – vor äußeren Einflüssen zu schützen oder das Umfeld vor den elektromag-netischen Emissionen der Geräte, es geht um das Verhalten jedes einzelnen Bauteils auf der Platine.

Im Verbund mit den Projektpartnern Continental und Infineon Technologies ist am Fraunhofer ENAS ein Messsystem entstanden, das selbst schwache elektrische und magnetische Felder auf hundertstel Millimeter genau aufspürt. Wo gibt es Bereiche mit auffällig hoher elektro-magnetischer Strahlung? Wie beeinflussen sich die Bauelemente untereinander? Mit dem Nahfeldscanner lassen sich einzelne Chips und Prozessoren ebenso vermessen wie komplette Laptops, Mobiltelefone oder Steuergeräte für Fahrzeuge. Der Scanner deckt auf, welche Felder das Testobjekt abstrahlt.

»Außerdem arbeiten wir mit unserem französischen Projektpartner cea-leti daran, gezielt elektromagnetische Felder an das Testobjekt anzulegen. So können wir prüfen, welche Bereiche sensitiv auf äußere Felder reagieren«, sagt Mager. Das macht das System auch für die Entwickler von Smartcards interessant: Betrüger entlocken etwa Bankkarten vertrauliche Informationen, indem sie sie mit Laser-, Spannungs- oder Stromimpulsen traktieren. Die so entstehenden Feldmuster können Hinweise über die Chip-Karte geben und beispielsweise die PIN-Nummer verraten. Der Nahfeldscanner macht die abgestrahlten Felder der Karte räumlich und zeitlich sichtbar, zeigt ihre Schwachstellen auf und hilft den Karten-Entwicklern, ihre Produkte besser vor den Betrügern zu schützen.

Externer Link: www.fraunhofer.de