26.02.2010 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 19.02.2010

Neue Grundlage für die Medikamentenentwicklung:

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München unter Leitung von Professor Michael Sattler haben eine neue Strategie entwickelt, um die räumliche Struktur von Biomolekülen auch in Lösung bestimmen zu können. Die Methode ist flexibel und generell anwendbar, um Strukturinformationen für Signalwege in der Zelle oder in der Regulation der Genexpression zu gewinnen. Über ihre Ergebnisse berichtet die aktuelle online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

Die meisten größeren Eiweiße besitzen eine komplexe räumliche Struktur, bei der verschiedene kompaktere Untereinheiten durch flexible Ketten miteinander verbunden sind. Diese Flexibilität ist wichtig, um die Wechselwirkung von Eiweißmolekülen untereinander oder mit Reaktionspartnern zu regulieren. Bei der klassischen Strukturbestimmung durch Röntgenstrukturanalyse sind die Eiweißmoleküle in ein starres Kristallgitter eingebaut, was die Flexibilität der Untereinheiten verhindert oder zumindest beeinflusst. Um die Funktion der Eiweißmoleküle in ihrer natürlichen Umgebung zu verstehen müssen daher Verfahren herangezogen werden, die die Struktur dieser Moleküle in Lösung untersuchen.

Das Team um Professor Michael Sattler, Direktor des Instituts für Strukturbiologie am Helmholtz Zentrum München und Leiter des Bayerischen NMR-Zentrums an der TU München, kombinierte nun mehrere bekannte Verfahren zu einer effizienten Strategie, für die Bestimmung der räumlichen Struktur von Biomolekülen in Lösungen. Grundlage des Verfahrens ist die biomolekulare NMR-Spektroskopie (Magnetische Kernspinresonanz). „Die NMR-Spektroskopie ist die einzige Methode, die es erlaubt, atomare Details der Raumstruktur von Biomakromolekülen in Lösungen zu bestimmen“, erklärt Sattler.

Analysiert man Proteine oder Proteinkomplexe mit einem NMR-Spektrometer, so erhält man aufgrund ihrer Größe zunächst eine Vielzahl sich gegenseitig überlagernder Signale, die so kaum auswertbar wären. Dank einer vierstufigen Strategie, die die Wissenschaftler in ein gängiges Softwareprogramm zur Auswertung von NMR-Messungen integrierten, können Michael Sattler und sein Team die Signale nun trennen und so eine realitätsnahe Struktur ableiten.

Im ersten Schritt des neuen Verfahrens sammeln die Wissenschaftler existierende Strukturinformationen für die Untereinheiten. Diese stammen beispielsweise aus Röntgenstrukturanalysen oder konventionellen, NMR-basierten Strukturbestimmungen. In den nächsten Schritten wird bestimmt, wie diese Untereinheiten räumlich zueinander angeordnet sind. Hierzu werden zwei verschiedene Arten von Informationen ausgenutzt, die durch NMR-Experimente bestimmt werden können. So genannte dipolare Restkopplungen geben Information über die relative Orientierung der einzelnen Untereinheiten des Komplexes.

An mehreren Stellen des Proteins führen die Wissenschaftler im nächsten Schritt Nitroxyl-Gruppen ein, Moleküle, die ein ungepaartes Elektron besitzen. Diese lösen so genannte Paramagnetische Relaxationsverstärkungen aus und erlauben es, auch größere Abstände zwischen den Untereinheiten zu messen und dadurch die dreidimensionale Struktur des Proteinkomplexes aufzuklären.

Dieses Verfahren wandte das Team auf zwei strukturellen Untereinheiten des menschlichen Spleißfaktors U2AF65 an. Spleißfaktoren sind bei der Regulation der Genexpression entscheidend und tragen unter anderem dazu bei, dass aus einem Gen unterschiedliche Proteine gebildet werden können. Aus der geschickten Kombination der NMR-Daten konnte die Struktur des Komplexes berechnet werden. Dabei bestätigte sich, dass die Struktur in Lösung deutlich von der durch Röntgenstrukturanalyse bestimmten Struktur abweicht.

„Unsere Methode ist generell auf viele Proteinkomplexe anwendbar, auch wenn sie sehr groß sind oder aus mehreren Untereinheiten bestehen“, sagt Michael Sattler. „Wir können dadurch biologische Regulationsmechanismen untersuchen, bei denen schwache und kurzlebige Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen.“ Proteine sind keine starren Strukturen, sondern beweglich, damit sie Reaktionspartner binden und wieder freisetzen können. Diese dynamischen Effekte spielen eine wichtige Rolle für die molekulare Erkennung vieler biologischer Prozesse.

Daher ist das Verfahren für die Forschung von großem Nutzen: Die Charakterisierung der Struktur und Wechselwirkungen von Proteinen mit Bindungspartnern gibt Aufschluss darüber, wie Stoffwechselprozesse ablaufen und Krankheiten entstehen und liefern damit eine Grundlage für die Entwicklung neuer Medikamente.

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der EU (3D Repertoire, Functional and Structural Genomics of Viral RNA) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Prof. Michael Sattler ist Mitglied des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM).

Originalpublikation:
Simon B, Madl T, Mackereth CD, Nilges M and Sattler M.
An efficient protocol for NMR-based structure determination of protein complexes in solution
Angew. Chem. Int. Ed. Engl. in press, online DOI: 10.1002/anie.200

Externer Link: www.tu-muenchen.de

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24.02.2010 von PaulWutz.

Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 19.02.2010

Seifen und andere Detergenzien wirken zumindest in Nano-Emulsionen offenbar anders als bislang angenommen

Impfstoffe, medizinische Sprays, möglicherweise aber auch Cremes oder Salben müssen künftig vielleicht neu gemischt werden. Denn die Substanzen, die diese Emulsionen stabilisieren, wirken entweder kaum oder anders als seit gut 100 Jahren gedacht. Physiker des Max-Planck-Instituts für Metallforschung haben festgestellt, dass Tröpfchen in Nano-Emulsionen wie etwa in Impfstoff-Zubereitungen kaum von Detergenzien eingehüllt werden. Detergenzien, zu denen auch Seife gehört, werden Emulsionen zugesetzt, um Öltröpfchen in einer wässrigen Umgebung zu stabilisieren. Sie bestehen aus einem öllöslichen und einem wasserlöslichen Teil und sollen zwischen den beiden Flüssigkeiten vermitteln, indem sie die Oberflächenspannung zwischen ihnen herabsetzen. Das tun sie aber zumindest in Emulsionen mit nanoskopischen Tröpfchen längst nicht so effektiv wie bislang angenommen. (J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 2122-2123)

Man darf nicht alles glauben, was in Lehrbüchern steht. Das muss Sylvie Roke, Leiterin einer Max-Planck Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Metallforschung, derzeit immer wieder Studenten, aber auch erfahrenen Kollegen erklären. Seit 100 Jahren vermitteln physikalische Lehrbücher ein Bild von stabilen Emulsionen, das zwar einleuchtet, aber offenbar falsch ist: Demnach setzten sich die gleichermaßen öl- wie wasserlöslichen Moleküle einer Seife auf die Oberflächen der winzigen Öltröpfchen, die in einer wässrigen Umgebung schweben. Auf diese Weise reduziere die Seife die Oberflächenspannung des Wassers und stabilisiere die Emulsionen. Doch diese Vermittler-Rolle erfüllen die Seifen-Moleküle in viel geringerem Maße als bislang gedacht, wie Sylvie Roke und ihre Mitarbeiter jetzt festgestellt haben.

Die Physikerin hat eine Methode entwickelt, um gezielt den molekularen Aufbau von Kolloid-Oberflächen zu untersuchen - dazu gehören auch Öltröpfchen in einer Emulsion. Diese Methode heißt Schwingungs-Summen-Frequenz-Spektroskopie und ermittelt aus charakteristischen Schwingungen der Oberflächen-Moleküle nicht nur, welche Substanzen auf den Öltröpfchen sitzen, sondern auch in welchen Mengen. Auf diese Weise hat das Team von Sylvie Roke verschiedene Mischungen aus Wasser, Öl und Natriumdodecylsulfat (NDS) - einem gängigen Detergenz in Shampoos und Cremes - untersucht. Die Flüssigkeiten mischen die Forscher so gut, dass die Öltröpfchen keine 100 Nanometer mehr messen. Und wie sie festgestellt haben, umgeben sich die Öltröpfchen nur mit wenigen NDS-Molekülen. Das ändert sich auch kaum, selbst wenn die Forscher die NDS-Konzentration in der Mischung drastisch erhöhen.

Aus der Menge der NDS-Moleküle auf den Öltröpfchen berechneten die Physiker, wie stark das Detergenz die Oberflächenspannung zwischen Wasser und Öl reduziert. “Der Effekt ist marginal und fällt viel geringer aus als in planaren Systemen”, sagt Sylvie Roke. Als planares System bezeichnet die Physikerin eine Mischung, in der sich Öl über eine Seifenlösung schichtet. An solchen Schichtsystemen hatten Forscher vor gut 100 Jahren untersucht, wie Seife die Oberflächenspannung zwischen Öl und Wasser senkt: Die Seifenmoleküle ordnen sich an der Grenze der beiden Flüssigkeiten so an, dass ihr wasserlöslicher Kopf im Wasser steckt und der öllösliche Schwanz ins Öl ragt.

Um den Aufbau von Emulsionen, in denen sich das Öl im Wasser tropfenförmig verteilt, zu untersuchen, fehlte bis vor kurzem eine geeignete Methode. Also schlossen die Physiker aus den Untersuchungen, die sie vor 100 Jahren an Schichtsystemen machten, auf Emulsionen: Darin werde ein Detergenz sicherlich genauso verhindern, dass sich Öl und Wasser trennen. “Selbst die Gutachter unserer Ergebnisse hielten daran fest und lehnten unsere Arbeit mehrmals ab”, sagt Roke: “Aber ich bin mir sicher, dass wir die Lehrbücher ändern müssen.” Sie geht sogar davon aus, dass Chemiker in Berechnungen schon mehrfach Hinweise gefunden haben, die der etablierten Theorie widersprechen: “Aber wahrscheinlich haben sie ihren Ergebnissen nicht getraut”, so Roke. Nun hat sie nach Vorträgen auf Konferenzen von Kollegen aber auch schon gehört, die Ergebnisse könnten erklären, warum die eignen Experimente nicht funktionieren.

Jetzt wollen sie und ihre Mitarbeiter herausfinden, was Nano-Emulsionen, die in der Medizin oft Anwendung finden, tatsächlich stabilisiert. “Vielleicht brauchen wir dafür gar kein Detergenz”, sagt Sylvie Roke: “Die Seife könnte aber auch einfach nur anders wirken als bislang gedacht.” Und das möglicherweise nicht nur in Nano-Emulsionen. Um das zu prüfen, werden die Forscher auch Emulsionen mit größeren Tröpfchen - also zum Beispiel Cremes und Salben - mit ihrer Methode inspizieren. “Wir haben uns sogar einen Trick überlegt, um die Wirkung von Spülmittel zu untersuchen”, sagt Roke: “Ob das klappt, wissen wir aber noch nicht.” [PH]

Originalveröffentlichung:
Hilton B. de Aguiar, Alex G. F. de Beer, Matthew L. Strader and Sylvie Roke
The Interfacial Tension of Nanoscopic Oil Droplets in Water Is Hardly Affected by SDS Surfactant
J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (7), pp 2122-2123; DOI: 10.1021/ja9095158

Externer Link: www.mpg.de

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22.02.2010 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 17.02.2010

Neuer Ansatz soll molekulare Selbstorganisation optimieren

Manche Moleküle können sich auf Oberflächen in spezifischen Mustern selbst anordnen. Diese Selbstorganisation spielt bei technischen Anwendungen eine Rolle, die auf funktionellen Oberflächenstrukturen beruhen. Bislang konnten diese Prozesse aber kaum gesteuert oder vorhergesagt werden. Einem Forscherteam unter der Leitung der Physikerin Dr. Bianca Hermann vom „Center for NanoScience“ (CeNS) der LMU München gelang hier nun, ein Durchbruch: Eine Kombination aus statistischer Physik und detaillierten Simulationen mit rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen lieferte ein vereinfachtes Modell zur Vorhersage der Muster. „Wir können nun in der Theorie eine Vielzahl von Mustern reproduzieren, die überraschend gut mit den experimentell beobachteten Mustern übereinstimmen“, sagt Hermann. „Diesen Ansatz wollen wir nun auf andere Oberflächensymmetrien ausdehnen. Schon jetzt könnten viele Anwendungen in der molekularen Elektronik, Sensorik, Katalyse und Photovoltaik von unserem Modell profitieren. Denn wenn Oberflächenstrukturen besser vorhergesagt werden, können die molekularen Komponenten schon in der Synthese gezielter optimiert werden.“ (NanoLetters online, 16. Februar 2009)

Wenn die Natur ihr eigener Ingenieur ist, ordnen sich Moleküle selbst zu komplexen Strukturen an – als Voraussetzung für die Bildung von Membranen, Zellen und anderen molekularen Systemen. Dieses ressourcenschonende Konzept liefert aber auch in der molekularen Elektronik, Sensorik, Katalyse und Photovoltaik funktionale Oberflächenstrukturen. Bei deren Herstellung werden die molekularen Komponenten auf ein Trägermaterial, das Substrat, aufgebracht und finden dann selbst ihren Platz im angestrebten molekularen Netzwerk. Je nach Anwendung zeigen die Bausteine spezifische elektronische, katalytische, sensorische oder photovoltaische Eigenschaften. Die Optimierung dieser hochfunktionellen Molekülschichten hängt aber noch von „try and error“ ab und ist deshalb anspruchsvoll und zeitaufwendig.

In der Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen von Dr. Bianca Hermann, PD Dr. Thomas Franosch und Professor Erwin Frey im Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) gelang nun die Entwicklung eines vereinfachten Modells der molekularen Wechselwirkungen. Dieser Ansatz beruht auf statistischer Physik in einer sogenannten Monte-Carlo-Methodik und detaillierten Simulationen der molekularen Mechanik zusammen mit hochaufgelösten rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen. Die Doktorandin Marta Balbás Gambra hat in diesem theoretischen Modell Hunderte von Molekülen am Computer zufällig ausgerichtet, um einen Anfangszustand zu simulieren. Diese schematischen Molekülkörper werden dann – in der Berechnung – energetisch angeregt, um Muster zu bilden.

So kann eine – im Vergleich zur Natur – außergewöhnlich große Vielzahl an Mustern erzeugt werden, die in hoher Übereinstimmung auch bei den Experimenten mit dem Rastertunnelmikroskop gefunden werden. „Wir haben sogar ein Muster zunächst theoretisch vorhergesagt und später mit dem Rastertunnelmikroskop nachgewiesen“, berichtet der Doktorand Carsten Rohr. Nach der Thermodynamik der Physik streben alle Systeme danach, den energetisch günstigsten Zustand einzunehmen. Experimentell wurde gezeigt, dass sich die molekularen Muster ineinander umwandeln können – bis überwiegend nur eine Art „Reifenspurmuster“ vorliegt. Dessen günstige energetische Bilanz wurde ebenfalls richtig mit dem „Monte-Carlo-Ansatz“ vorhergesagt.

„Letztlich konnten wir zeigen, dass sehr elementare geometrische Eigenschaften der Moleküle diese Vielzahl an Mustern codieren“, erklärt der Theoretiker Franosch. „Wir wollen unseren Ansatz nun auch auf andere Substrate, also Oberflächen anderer Symmetrie, ausdehnen. Bereits jetzt aber ist unser Modell ein wichtiges theoretisches Werkzeug, weil es funktionale Oberflächenstrukturen vorhersagen hilft. Damit können die Moleküle schon während der Synthese optimiert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu zeigen,“ erläutert Hermann. Die Physikerinnen und Physiker des Teams, die in unterschiedlichen Fachgebieten arbeiten und ihr Fachwissen hier zusammenführen konnten, sehen Anwendungen im Bereich der molekularen Elektronik, Sensorik, Katalyse und Photovoltaik, auch bei anderen molekularen Wechselwirkungen und bei nur teilweise bedeckten Oberflächen. (suwe)

Publikation:
„Molecular Jigsaw: Pattern Diversity Encoded by Elementary Geometrical Features“,
C. Rohr, M. Balbás Gambra, K. Gruber, E. C. Constable, E. Frey, T. Franosch, and B. A. Hermann
NanoLetters online, 16. Februar 2009
DOI: 10.1021/nl903225j

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19.02.2010 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Februar 2010

Sollen Metalle umgeformt werden, entstehen häufig Schäden an den Werkstoffen. Eine mögliche Ursache: Der Pressdruck ist zu groß, das Material bekommt Risse und Löcher. Per Simulation am PC berechnen Forscher nun, wie sich Defekte in den Bauteilen vermeiden lassen.

Auf der Autoshow glänzt und glitzert es in allen Ecken. Links steht ein mit Blattgold überzogener Porsche, auf der anderen Seite wird ein bordeauxfarbener Mercedes präsentiert. Doch bis die Luxusschlitten als ausgereifte Produkte zum Verkauf stehen, haben sie einen langen Weg vor sich: Die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe sind komplex, beim Herstellen der Karrossen können daher eine Reihe von Komplikationen auftreten. Eine erste Hürde müssen die Stahlhersteller nehmen, die am Beginn der Fertigungskette stehen. Sie verformen massive Teile aus Metall zu Blechen, Rohren, Drähten und Stangen, welche die Autobauer dann verarbeiten. Bei diesem Umformungsprozess können die Werkstoffe Schaden nehmen. Sie werden zu stark deformiert, etwa weil die Reibung zu groß oder die Temperatur des Umformwerkzeugs nicht optimal ist.

Um ein einwandfreies Bauteil zu produzieren, müssen die Hersteller nicht nur zahlreiche Prototypen mit den richtigen Materialeigenschaften anfertigen, sondern auch im Trial-and-error-Verfahren ausloten, wie das Umformwerkzeug eingestellt sein muss – ein zeitaufwändiger und teurer Vorgang. Den Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg ist es gelungen, diesen Prozess mit Hilfe von computergestützten Modellen kostengünstiger zu gestalten. »Mit unserer numerischen Simulation berechnen wir, wie stark sich ein Bauteil deformieren lässt, bevor ein Riss entsteht. Und wir analysieren, welchen Einfluss Faktoren wie Pressdruck oder das verwendete Schmiermittel auf die Eigenschaften des Werkstoffs haben«, sagt Dr. Dirk Helm, Projektleiter am IWM. Derzeit erhältliche kommerzielle Software könne das Umformverhalten von Massivbauteilen aus Metall nicht so detailgenau voraussagen wie seine Simulationsroutinen. »Wir konnten feststellen, dass durch eine spezielle Geometrieänderung eines Umformwerkzeugs Löcher vermieden wurden, da in diesem Fall die Porendichte nicht stark, sondern nur geringfügig gestiegen ist«, erklärt Helm. »Mit unserer Simulation können wir die optimalen Eigenschaften der Bauteile und der Umformwerkzeuge wesentlich schneller identifizieren als durch Versuch und Irrtum.« Der Forscher ist überzeugt, dass sich der Ausschuss mit Simulationen deutlich reduzieren lässt.

Die Software hat sich in der Praxis bereits bewährt: Bislang verwenden die Experten ihre numerische Simulation bei Kaltumformungsprozessen, bei denen der Einfluss der Temperatur eines Werkzeugs keine Rolle spielt. In Zukunft soll die Computersimulation auch bei Warmumformungsprozessen eingesetzt werden.

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17.02.2010 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 15.02.2010

BIOSS-Professor erforscht neue Strategie zur Herstellung von Knie-Implantaten

Verletzungen an Gelenkknochen und Knorpeln können gravierende Folgen haben, bis hin zur Arthrose. Die degenerative Veränderung der Gelenkknorpel zählt nicht nur in Deutschland zu den gefürchteten Volkskrankheiten. Prof. Dr. Prasad Shastri ist Experte für Tissue Engineering (TE), die Gewebekonstruktion und Gewebezüchtung aus körpereigenen Zellen. Seit einem Jahr forscht er als Professor für Biofunktionale Makromolekulare Chemie im Exzellenzcluster BIOSS, dem Zentrum für Biologische Signalstudien, an der Universität Freiburg. Mit Kollegen aus Maastricht hat er jetzt einen Weg gefunden, wie günstig und im Schnellverfahren ausreichend körpereigene Knorpelsubstanz hergestellt werden kann.

Oft sind Schäden an den großen Gelenken, wie Knie, Fuß, Hüfte oder Schulter der Anfang eines schmerzhaften und die Beweglichkeit einschränkenden Prozesses. Weil Knorpel nach Abschluss des Körperwachstums nicht mehr nachwachsen,  werden Defekte, wie sie durch Unfälle und Abnutzung entstehen, nicht durch neue Knorpelbildung aufgefangen. Gentechnik und Molekularbiologie ermöglichen es heute, gesunde Knorpelzellen zu entnehmen und außerhalb des Körpers unter speziellen Bedingungen zu vermehren. Diese Knorpelgewebe können dann in den Knorpeldefekt eingebracht werden und wachsen dort wieder an. Bislang ist das Reparieren von Knorpel- und Knochenschäden durch körpereigenes Material jedoch schwierig. Das Nachzüchten von körpereigenem Gewebe ist kompliziert und teuer, bis zur gewünschten 2 Funktionsfähigkeit des Implantates dauert es sehr lange. Die Entwicklung dieser neuen Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. In  dem renommierten US-amerikanischen Fachjournal PNAS erläutern Prof. Shastri und seine Mitautoren eine neue klinische Strategie zur „de novo“- Herstellung von passgerechtem Knorpelgewebe in nur drei Wochen.

Den Wissenschaftlern gelang es, große Knorpelstücke im lebenden Gewebe mittels eines speziellen Verfahrens zu erzeugen. Durch die einfache Zugabe von Agarose-Gel, einem in der Biochemie gebräuchlichen Biomaterial in die Membran von der die Knochenoberfläche bedeckt ist, konnte in diesem Bereich Sauerstoffmangel erzeugt werden. Dieser Sauerstoffmangel (hypoxia) veranlasst und stimuliert die Knorpelentwicklung, so die zentrale These der Arbeit. Die in diesem Bioreaktor  hergestellte Knorpelsubstanz wurde ins Knie transplantiert, passte sich dort gut an die neue Umgebung an und zeigte auch nach neun Monaten noch keine Anzeichen von Verkalkung.

Publikation:
Emans, P. J., L. W. van Rhijn, Welting, T. J., Cremers, A., Wijnands, N., Spaapen, F., Voncken, J. W. and Shastri, V. P. “Autologous engineering of cartilage.” Proc Natl Acad Sci U S A. published online before print Feb 04, 2010, doi:10.1073/pnas.0907774107

Externer Link: www.uni-freiburg.de

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