Archiv des Monats: Oktober 2009

Bäckerhefe: nicht nur zum Backen gut

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Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 16.10.2009

Freiburger Wissenschaftler entdecken neuen Mechanismus der Protein-Qualitätskontrolle in den Kraftwerken der Zelle

Forscher des Instituts für Biochemie und Molekularbiologie und des Exzellenzclusters für biologische Signalstudien (bioss) der Universität Freiburg haben einen neuen Mechanismus entdeckt, wie die Lebensdauer von Proteinen in Mitochondrien, den so genannten Kraftwerken der Zelle reguliert, wird. Diese Organellen sind nicht nur die wichtigsten Energielieferanten, sondern beherbergen eine Vielzahl verschiedener Stoffwechselwege und steuern darüber hinaus auch den so genannten programmierten Zelltod. Geringste Beeinträchtigungen dieser Funktionen können bereits zu schweren Erkrankungen, wie zum Beispiel Diabetes, Krebs oder auch neurodegenerativen Erkrankungen, wie Parkinson oder Alzheimer, führen.

Für die vorliegende Studie, die gerade in der renommierten Fachzeitschrift Cell publiziert wurde, verwendeten die Forscher Mitochondrien aus Bäckerhefe, einem Modellorganismus, der nach denselben Prinzipien funktioniert wie die Zellen des Menschen. So werden auch in der Hefe die meisten mitochondrialen Proteine im Zellkern kodiert und müssen nach ihrer Synthese in dieses Organell eingeschleust werden. Hierfür erhalten diese Proteine Signalsequenzen, die sie zu Erkennungsstellen auf den Mitochondrien leiten und die Passage in das Innere erlauben.

Dort angekommen, werden diese Signalsequenzen wieder von einem ganz bestimmten Enzym entfernt. Genau diese Signalsequenzen haben nun die Freiburger Forscher gemeinsam mit einem Team aus Dortmund systematisch untersucht und für mehr als 600 mitochondriale Proteine bestimmt.

Die größte Überraschung dabei war, dass viele dieser Signalsequenzen nicht nur einmal, sondern noch ein zweites Mal geschnitten werden. Das hierfür verantwortliche Enzym wurde ebenfalls im Rahmen dieser Untersuchungen entdeckt. „Es handelt sich hierbei um ein von Bakterien bis zum Menschen hochkonserviertes Protein“, sagt Nora Vögtle, Doktorandin am Freiburger Graduiertenkolleg „Membranproteine und Biologische Membranen“ und Erstautorin der Publikation. Diese zusätzliche Prozessierung stellt sicher, so die Ergebnisse der Studie, dass die Proteine vor einem vorzeitigen Abbau geschützt werden.

Dem Freiburger Projektleiter Prof. Dr. Chris Meisinger zufolge liefern diese Ergebnisse gänzlich neue Einsichten in den Abbau von Proteinen in Zellorganellen und können zur Aufklärung vieler verschiedener Krankheitsmechanismen dienen.

Veröffentlichung:
F.-Nora Vögtle, Stefanie Wortelkamp, René P. Zahedi, Dorothea Becker, Claudia Leidhold, Kris Gevaert, Josef Kellermann, Wolfgang Voos, Albert Sickmann, Nikolaus Pfanner und Chris Meisinger. (2009): „Global Analysis of the Mitochondrial N-Proteome Identifies a Processing Peptidase Critical for Protein Stability“, in: Cell, 139(2), S. 428-439.

Externer Link: www.uni-freiburg.de

Quantenlimitierte Messmethode für Nanosensoren

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 14.10.2009

Wissenschaftler wenden optische Methoden auf nanomechanische Objekte an

Neue Fertigungstechniken ermöglichen es, mechanische Bauelemente auf Siliziumchips herzustellen, die nur noch Nanometer (ein Millionstel mm) groß sind. Ihre Anwendung ist allerdings noch dadurch eingeschränkt, dass keine ausreichend genauen Messverfahren für diese winzigen Bauteile zur Verfügung stehen. Einen grundsätzlich neuen Ansatz hat jetzt ein Team um Tobias Kippenberg vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und Jörg Kotthaus von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) erfolgreich getestet. (Nature Physics, 11. Oktober 2009, online vorab veröffentlicht)

Eine Schlüsselrolle darin spielen auf Siliziumchips gewachsene Glaszylinder mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern, die in ihrem Innern Licht für geraume Zeit speichern können. Wie die Wissenschaftler zeigten, können Nanooszillatoren mit dem aus dem Toroid dringenden optischen Nahfeld sowohl ausgelesen als auch zu Schwingungen angeregt werden. Die Genauigkeit dieser Messungen ist nur durch die Quantenfluktuationen des Lichts limitiert. Bereits bei Raumtemperatur werden deshalb Empfindlichkeiten erreicht, die in der Größenodnung des quantenmechanischen Grundzustandsrauschens der Oszillatoren sind, d.h. dem Standard- Quantenlimit entsprechen. Die neue Messmethode ist somit für die Grundlagenforschung von großem Interesse. Aber auch Anwendungen wie der Nachweis einzelner Atome bzw. Ladungen oder auch die Massenspektrometrie können von den Messungen profitieren.

Nanomechanische Oszillatoren sind ideale Kandidaten, um die Quantengrenzen mechanischer Schwingungen experimentell zu testen. Darüber hinaus sind sie die Grundlage für eine Reihe von Präzisionsmessungen und ein fester Bestandteil in Magnetkraft- und Rasterkraftmikroskopen. In den vergangenen 10 Jahren wurde der Entwicklung empfindlicher Auslesetechniken für immer kleinere und dadurch sensitivere Oszillatoren eine hohe Aufmerksamkeit geschenkt. Optische Methoden erreichten hierbei die besten Werte, waren aber auf Objekte größer als die Wellenlänge beschränkt. Für nanoskalige Objekte anwendbare, elektronische Methoden erreichten bisher nur eingeschränkte Präzision.

Die MPQ und LMU-Physiker haben jetzt mit Hilfe optischer Methoden erstmals quantenlimitierte Messungen an nanoskaligen Oszillatoren erreicht. Dies war bisher nicht möglich, da es bei Objekten, die kleiner als die Wellenlänge des Lichtes sind, zu Beugungsverlusten kommt. Im vorliegenden Experiment wird dieses Problem dadurch umgangen, dass im optischen Nahfeld gearbeitet wird. Schlüsselbaustein ist ein zylindrischer Resonator aus Glas mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern. Dieses Mikrotoroid kann Licht speichern, wenn dessen Wellenlänge hineinpasst, d.h. in einem ganzzahligen Verhältnis zum optischen Umfang des Resonators steht. Ein kleiner Teil des gespeicherten Lichts, das sogenannte Nahfeld, „leckt“ aus dem Resonator heraus und dient als Messsonde für die Nanooszillatoren – eine Anordnung parallel gespannter Siliziumnitrid-Saiten, die typischerweise 100 Nanometer mal 500 Nanometer dick und 15 bis 40 Mikrometer lang sind. (Nanosaiten und Mikrotoroide wurden in den Reinräumen von Jörg Kotthaus an der LMU und an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne hergestellt.)

Bringt man die Nanoszillatoren in das Nahfeld, das sich einige Hundert Nanometer weit von der Oberfläche der Toroide erstreckt, so können sie mit dem Mikrotoroid wechselwirken. Die Nanooszillatoren wirken dabei auf das optische Nahfeld wie ein Dielektrikum, d.h. sie verändern lokal den Brechungsindex. Dies führt wiederum zu einer Verschiebung des optischen Umfangs und damit der Resonanzfrequenzen des Mikrotoroids. Die Verschiebung der optischen Resonanzen durch die Nanooszillatoren ist hierbei so groß, dass allein deren Brownsche Bewegung einen starken, deutlich messbaren Einfluss hat und die Bewegung der Saiten mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Die dabei erreichte Empfindlichkeit für Abstandsänderungen ist von der gleichen Größenordnung wie die quantenmechanisch bedingten Fluktuationen, die man für nanomechanische Oszillatoren beim absoluten Temperaturnullpunkt erwartet und die dem sogenannten Standard-Quantenlimit für Abstandsmessungen entsprechen.

Die hohe Empfindlichkeit für die Bewegung nanoskaliger Objekte sei allerdings nur ein Aspekt des neuen Verfahrens, betont Georg Anetsberger, der in der Gruppe von Tobias Kippenberg promoviert. Ebenso wichtig sei der erstmalige Nachweis, dass auch nanoskalige Objekte durch die Kraft von Photonen, den Strahlungsdruck, direkt beeinflusst, z.B. gekühlt oder in Schwingung versetzt werden können. „Wir beobachten, dass die Dipolkraft des optischen Nahfelds zu einer dynamischen Rückwirkung führt, welche die Nanosaiten zu kohärenten laserähnlichen Schwingungen anregt.“

Die hier verwendete Methode lässt sich praktisch auf alle nanoskaligen mechanischen Oszillatoren anwenden, was deren Einsatz als hochempfindliche Sensoren weiter verbessern könnte. Für Tobias Kippenberg zeigt sich daran wieder einmal die Vielseitigkeit der Mikrotoroide, die seit einigen Jahren im Zentrum seiner Forschung stehen. „Wir haben hier eine experimentelle Plattform entwickelt, die die Anwendungsmöglichkeiten nanomechanischer Bauelemente deutlich erweitern könnte. Zudem bietet sie eine Schnittstelle, an der Photonen und Phononen so optimiert miteinander wechselwirken, dass quantenmechanische Effekte bei Raumtemperatur messbar werden könnten.“ [OM/GA]

Originalveröffentlichung:
G. Anetsberger, O. Arcizet, Q. P. Unterreithmeier, R. Rivière, A. Schliesser, E. M.Weig, J. P. Kotthaus und T. J. Kippenberg
Near-field cavity optomechanics with nanomechanical oscillators
Nature Physics, Advance Online Publication, DOI: 10.1038/NPHYS1425

Externer Link: www.mpg.de

Kleinste Nanoantennen für Highspeed-Datennetze

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 13.10.2009

Schnellste Informationsübertragung – Anwendungen auch in Mikrobiologie, Photovoltaik und Sensorik

Mehr als 120 Jahre nach der Entdeckung der elektromagnetischen Natur der Funkwellen durch Heinrich Hertz beherrscht die drahtlose Datenübertragung die Informationstechnologie. Um immer mehr Daten in kürzerer Zeit zu übertragen, kommen immer höhere Funkfrequenzen zum Einsatz. Vor einigen Jahren fanden Wissenschaftler heraus, dass man auch mit Lichtwellen funken kann. Die Herstellung der winzigen Antennen war aber bislang äußerst aufwendig. KIT-Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, kleinste optische Nanoantennen aus Gold gezielt und reproduzierbar anzufertigen.

1887 entdeckte Heinrich Hertz an der damaligen Technischen Hochschule Karlsruhe, der Vorgängerin der Universität Karlsruhe, die elektromagnetischen Wellen. Die gezielte und gerichtete Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ermöglicht es, Informationen von einem Standort A zu einem räumlich entfernten Standort B zu übertragen. Die Schlüsselposition bei diesem Transfer nimmt dabei eine Dipolantenne auf der Sendeseite wie auch auf der Empfangsseite ein. Diese Technik hat sich heute in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens, beispielsweise beim Mobilfunk oder beim Satellitenempfang von Fernsehprogrammen, durchgesetzt. Sende- und Empfangsseite kommunizieren dann besonders effizient, wenn die Dipolantennen-Gesamtlänge ungefähr der halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle entspricht.

Um nun mit den besonders hochfrequenten elektromagnetischen Lichtwellen im Frequenzbereich bei mehreren 100 000 Gigahertz funken zu können (500 000 GHz entsprechen gelbem Licht von 600 nm Wellenlänge), benötigt man winzig kleine Antennen, die nicht größer sind als eine halbe Lichtwellenlänge, also maximal 350 Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Die kontrollierte Herstellung solcher optischer Funkantennen im Nanomaßstab war weltweit ein bisher sehr schwieriges Problem, weil optische Belichtungsverfahren so kleine Strukturen aus physikalischen Gründen nicht ohne weiteres erzeugen können – wegen der Wellennatur des Lichtes. Um dennoch bei ihren Goldantennen, die kleiner sind als 100 Nanometer, die nötige Präzision zu erreichen, nutzten die Wissenschaftler der DFG-Heisenberg-Gruppe „Nanoscale Science“ am Lichttechnischen Institut des KIT ein Elektronenstrahlverfahren, die so genannte Elektronenstrahllithografie. Die Ergebnisse wurden nun im Journal Nanotechnology (Nanotechnology 20 (2009) 425203) veröffentlicht.

Die Antennen aus Gold wirken physikalisch wie Radioantennen, wobei Radioantennen etwa 10 Millionen Mal so groß sind, also etwa 1 Meter lang. Die empfangene Frequenz ist bei den Nanoantennen entsprechend 1 Million Mal höher als die Radiofrequenz, also nicht 100 Megahertz, sondern mehrere 100 000 Gigahertz.

Diese Nanoantennen können nun Daten mit extremer Datenrate übertragen, weil die hohe Frequenz der Wellen die extrem schnelle Modulation des Signals erlaubt. Für die Zukunft des drahtlosen Datenverkehrs bedeutet dies eine Beschleunigung auf das 10.000-fache der heutigen Datenrate bei zugleich reduziertem Energieverbrauch. Sie bilden somit eine wichtige Grundlage für neue optische Highspeed-Datennetze. Der positive Nebeneffekt: Licht im Bereich von 1000 bis 400 Nanometer ist für Menschen, Tiere und Pflanzen unschädlich.

Die Nano-Antennen aus Karlsuhe lassen sich in Zukunft aber nicht nur für die Informationsübertragung, sondern auch als Werkzeug für die optische Mikroskopie einsetzen: „Mit Hilfe dieser winzig kleinen Nano-Lichtstrahler können wir Untersuchungen an einzelnen Biomolekülen durchführen, wie es bisher nicht möglich war“, so Dr. Hans-Jürgen Eisler, der die Arbeitsgruppe am Lichttechnischen Institut leitet. Daneben können die Nanoantennen als neues Werkzeug zur Charakterisierung von Nanostrukturen aus Halbleitern, Sensorstrukturen und integrierten Schaltkreisen besser eingesetzt werden. Möglich wird dies, da Nanoantennen Licht effizient einfangen können. Damit werden Nanoantennen wiederum zu Lichtquellen und strahlen ihrerseits Lichtquanten (Photonen) ab.

Die Wissenschaftler am LTI arbeiten derzeit auch daran, gezielt und effizient sichtbares Licht mit diesen Antennen einzufangen und auf wenige 10 Nanometer zu lokalisieren, um damit beispielsweise Photovoltaikmodule zu optimieren. (lg)

Externer Link: www.kit.edu

„Mister X“ macht mobil

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Pressemitteilung der Universität Bonn vom 08.10.2009

Bonner Informatiker schaffen mit ihrem innovativen Internetspiel den Sprung vom Hörsaal in die eigene Firma

„Mister X mobile“ heißt ein neues, internetgestützes Trendspiel, das das beliebte Ravensburger Brettspiel „Scotland Yard“ mit den neuen Möglichkeiten des mobilen Internets verbindet. Dabei werden Figuren nicht mehr auf einem Spielbrett verschoben, sondern die Spieler begeben sich mit dem iPhone oder Google-Handy in der realen Welt auf die Suche nach „Mister X“. Den ersten Prototyp des Spiels haben Studenten der Universität Bonn während eines Programmier-Praktikums entwickelt. Inzwischen haben die Mitarbeiter der Informatik Bonn im Rahmen eines Forschungsprojektes daraus ein vollwertiges mobiles Multiplayer-Spiel gemacht. Mit dem dafür eigens gegründeten Unternehmen Qeevee wollen sie „Mister X mobile“ und kommende Innovationen über die Universität hinaus bekannt machen.

Die Idee ist einfach, aber überzeugend: „Wie im bekannten Brettspiel Scotland Yard des Ravensburger Spieleverlags haben mehrere Detektive die Mission einen Ganoven – Mister X – zu stellen. Die Jagd führt dabei durch verwinkelte Straßen und Gassen“, erklärt Tobias Rho, Forscher am Institut für Informatik III der Uni Bonn und Experte für die Entwicklung adaptiver Anwendungen. Im Gegensatz zur klassischen Variante bewegen sich die Mitspieler hier frei in ihrer Stadt, ausgestattet mit iPhone oder Handy. Auf diese Weise wird die urbane Umgebung zum Spielbrett und die realen Bewegungen der Mitspieler ersetzen die Züge der Spielfiguren.

Beim neuen Genre der mobilen ortsbasierten Spiele kommt der Informatik der Universität Bonn eine Schlüsselrolle zu. Vor zwei Jahren gab es dort die ersten Gehversuche des Projekts „Adaptive Mobile Gaming“, welches sich der Erforschung und Entwicklung von dynamisch anpassbaren mobilen Spielen widmet. Im Rahmen des damaligen Programmierpraktikums entstand der erste Prototyp von „Mister X mobile“, damals noch „Scotland Yard To Go“ genannt.

Aus dem Prototyp ist ein ernstzunehmendes Spiel geworden

„Am Anfang dauerte es manchmal über eine halbe Stunde, bis die Position der Mitspieler über GPS bestimmt war, und nach 45 Minuten Spielzeit waren die Akkus leer,“ erinnert sich Pascal Bihler, Forscher und Mitinitiator des Projektes. „Und trotzdem waren alle begeistert!“ Seit dem hat sich viel getan. Tobias Rho, verantwortlich für die Google-Android-Version des Spiels: „Aus dem Forschungsprototyp ist mittlerweile ein ernstzunehmendes Spiel geworden, das bei Testspielen, auf Tagungen und vielfältigen Veranstaltungen bei den Teilnehmern auf hervorragende Resonanz stößt.“

„Vor einer Woche haben wir Mister X mobile in Peking auf einer internationalen Konferenz vorgestellt und konnten zeigen, dass selbst über die immens große Entfernung zu unserem Server in Deutschland das Spiel flüssig läuft. Das überzeugte“, berichtet Mark Schmatz, ebenfalls Forscher am Bonner Institut.

„Wir sind froh, mit den Deutsche Telekom Laboratories einen starken und engagierten Partner bei der Erforschung adaptiver mobiler Spiele gefunden zu haben,“ sagt Professor Dr. Armin B. Cremers, Leiter des Instituts für Informatik III. „Mister X mobile zeigt deutlich, wie aus einer exzellenten Verzahnung von Forschung und Lehre ein deutschlandweit bekanntes Projekt werden kann, und welches Potential die Informatik an der Uni Bonn hat. Das ist ein Grund zur Freude.“ Auch der Ravensburger Spieleverlag freut sich über die Aufmerksamkeit, die damit seinem Krimi-Spiel und der aktuellen Neuauflage zugute kommt.

Jetzt haben die Bonner Forscher zur professionellen Betreuung des Projektes eine eigene Gesellschaft gegründet. „Die Idee, erfolgreiche Forschungsprojekte im Rahmen eines Spin-Offs weiter zu führen, ermöglicht es, Forschungsergebnisse als innovative Produkte einer großen Zahl von Nutzern zugänglich zu machen“, sagt Holger Mügge. Er ist Teilzeit-Mitarbeiter der Universität und zusammen mit Mark Schmatz Geschäftsführer der Qeevee UG (haftungsbeschränkt). Die neue Firma will nun mit der Universität Bonn weitere ortsbasierte Spiele verwirklichen. Und auch hier sollen die Studierenden wieder von Anfang an aktiv mit dabei sein. (Andreas Archut)

Externer Link: www.uni-bonn.de

Neue Chemie mit gelöstem Silizium

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 08.10.2009

Anwendungen in der Herstellung von Silizium-Materialien sind denkbar

Silizium ist das Basismaterial der modernen Halbleiterwelt. Mikrochips in Computern oder Solarzellen: Sie alle beruhen auf chemisch modifiziertem Silizium. Allerdings ist das Element, dessen kristalline Struktur der von Diamant entspricht, nur unter Einsatz größerer Ressourcen für die Weiterverarbeitung nutzbar zu machen. Silizium-Materialien müssen aufwendig über Schmelzen oder über chemische Reaktionen in der Gasphase hergestellt werden müssen. Im Vergleich zu Reaktionen in der Gasphase sind aber gerade chemische Reaktionen in Lösungen besser kontrollier- und steuerbar. Eine Chemie mit gelösten Silizium-Bausteinen wäre deshalb als materialchemische Methode wünschenswert. Solche Bausteine existieren als geladene Teilchen in speziellen Festkörperverbindungen des Siliziums, den Siliciden.

Einer Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Nikolaus Korber vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Regensburg ist es nun gelungen, diese Silizium-Bausteine herauszulösen und gezielt in einer chemischen Lösungs-Reaktion einzusetzen. Die Forscher nutzten dafür flüssigen Ammoniak als Lösungsmittel. Ammoniak ist bei Raumtemperatur ein Gas, kann jedoch durch Abkühlen auf – 33 °C leicht verflüssigt werden und ist dann gerade für empfindliche Teilchen sehr gut als Lösungsmittel geeignet. Jeweils neun Silizium-Atome enthaltende Cluster konnten unzersetzt aus dem Festkörper herausgelöst und in eine Verbindung mit dem Metall Nickel überführt werden.

Dieses bahnbrechende Ergebnis universitärer Grundlagenforschung beweist zum ersten Mal, dass Lösungs-Reaktionen mit reinen Silizium-Bausteinen möglich sind. Auf dieser Grundlage wollen die Regensburger Wissenschaftler weiterforschen. Es bleibt für die Zukunft zu klären, ob beispielsweise auch für industrielle Anwendungen konkurrenzfähige Herstellungswege zu Silizium-Materialien über chemische Reaktionen in Lösungen entwickelt werden können.

Die Ergebnisse der Regensburger Wissenschaftler sind jüngst im Journal Angewandte Chemie – International Edition erschienen (DOI: 10.1002/anie.200904242).

Externer Link: www.uni-regensburg.de