19.03.2010 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 17.03.2010

Molekulare Kräfte kontrollieren Form von Nanobausteinen

Die gezielte Manipulation von Strukturen im Nanometerbereich ist eine Grundlage der modernen Biotechnologie. Zu den vielseitigsten Bausteinen im Bereich von Millionstel Millimetern gehört die DNA, der Träger der Erbinformation. Im Organismus kommt das Molekül in linearen und zirkulären Formen vor, aus denen dann technologisch höhere Strukturen erzeugt werden können. Deren spezifische Form ist die Folge eines Wechselspiels mehrerer physikalischer Kräfte. LMU-Forscher um den Biophysiker Professor Erwin Frey konnten in Zusammenarbeit mit Schweizer Wissenschaftlern nun klären, welches Gewicht diese Kräfte jeweils haben und welche effektive Form der Bausteine daraus resultiert. „Insgesamt ist uns eine quantitative Beschreibung von DNA-Ringen gelungen, sodass nun molekulare Eigenschaften wie etwa die Steifigkeit und der DNA-Durchmesser in nanoskopische Größen wie Form und Ausdehnung des Polymerrings übersetzt werden können“, sagt Frey. „Wir hoffen, dass dieses Verständnis die technologische Entwicklung neuartiger Nanostrukturen ermöglicht.“ (Nanoletters online, 17. März 2010)

Die DNA weist einzigartige chemische Eigenschaften auf, die es ihr ermöglichen, sich selbst zusammenzubauen. In der Nanotechnologie wird das Molekül daher – anders als im Körper – nicht als Träger von Erbinformation genutzt, sondern als Baustein für eine Vielzahl von Strukturen. Ähnliches gilt für andere zelluläre Moleküle. Diese selbst aus vielen Untereinheiten bestehenden Bausteine, sogenannte Polymere, müssen aber gezielt manipuliert werden können, um die gewünschten Nanostrukturen zu bilden. Die Grundlage dafür ist das Verständnis der Kräfte, die Nanobausteinen wie dem DNA-Molekül spezifische Formen verleihen. Aus geometrischer Sicht bilden lineare Filamente hier die einfachsten Bausteine, während ringförmige Polymere die nächsthöhere Stufe der Komplexität sind.

Welche Form sich letztlich ausbildet, wird durch ein Wechselspiel physikalischer Kräfte bestimmt. So begünstigt die entropische Kraft eine „geknäulte“, insgesamt stark verkrümmte Struktur, der die Biegesteifigkeit entgegenwirkt. Eine wichtige Rolle spielt auch die sogenannte sterische Verdrängung der einzelnen Polymersegmente. „Fraglich war nun, wieviel die einzelnen, auf molekularen Eigenschaften beruhenden Kräfte beitragen“, berichtet Frey. „Das ist wichtig, weil die effektive Form der Bausteine daraus resultiert.“ Das Team um Frey hat deshalb in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Giovanni Dietler vom „Laboratory of the Physics of Living Matter“ (EPFL) in Lausanne die Größe und Form zweidimensionaler halbflexibler DNA-Polymerringe untersucht.

Experimentell variierten die Forscher unter anderem die Länge der DNA-Stränge, um den Einfluss von elastischen und entropischen Kräften zu verändern. Durch theoretische Überlegungen wurde der Beitrag der sterischen Verdrängung untersucht. „Es hat sich unter anderem gezeigt, dass bei geringer Steifigkeit die dominierenden entropischen Kräfte kleine zigarrenförmige Knäuel entstehen lassen“, so Frey. „Eine große Steifigkeit formt das Polymer dagegen als ausgedehnte Ellipse. Insgesamt ist uns eine quantitative Beschreibung von DNA-Ringen gelungen, sodass nun molekulare Eigenschaften wie die Steifigkeit in nanoskopische Größen wie Form und Ausdehnung des Polymerringes übersetzt werden können – was die technologische Entwicklung von Nanostrukturen begünstigen sollte.“ (suwe)

Das Projekt wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) durchgeführt sowie im Zuges des Strategieprozesses LMUinnovativ gefördert.

Publikation:
„Excluded volume effects on semiflexible ring polymers”,
Fabian Drube, Karen Alim, Guillaume Witz, Giovanni Dietler, and Erwin Frey,
Nanoletters online, 17. März 2010

Externer Link: www.uni-muenchen.de

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17.03.2010 von PaulWutz.

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 04.03.2010

Erste Großanlage nun im Industrieeinsatz

Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden wegen ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Fahrzeugbau eingesetzt. Mit dem im KIT entwickelten Mikrowellensystem HEPHAISTOS steht dafür ein energieeffizientes neuartiges Härteverfahren zur Verfügung. Im Rahmen eines vierjährigen vom BMBF geförderten Verbundprojektes mit weltweiten Partnern wurde das Verfahren nun erstmals in einer industriellen Versuchsanlage eingesetzt. Die Großanlage wurde soeben bei der Firma GKN Aerospace in München in Betrieb genommen.

Die HEPHAISTOS-Technologie ermöglicht energieeffiziente neuartige Härteverfahren für Verbundwerkstoffe, die ohne Umluftofen, Druckkammern oder teure beheizte Werkzeuge auskommen. Die Mikrowellentechnologie ist dabei als einziges physikalisches Verfahren in der Lage, ein Bauteil auf seinem gesamten Volumen gleichzeitig aufzuheizen. Mit den Entwicklungen des Karlsruher Instituts für Technologie können erstmalig gleichmäßige Mikrowellenfelder in beliebig großen Kammern erzeugt werden. Durch entsprechende Steuerung gelangt dabei die Energie sehr schnell und effektiv in Bauteile; die Aushärtung von polymeren Matrixsystemen, Schäumen oder Klebern wird stark beschleunigt.

„Die HEPHAISTOS-Technologie ist das Zentrum eines vierjährigen Verbundvorhabens, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit einem Gesamtvolumen von sechs Millionen Euro gefördert wird“,  freut sich der Projektleiter, Priv.-Doz. Dr. habil. Lambert Feher vom Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des KIT. „Nun haben wir bei der Firma GKN Aerospace in München zum ersten Mal eine Großanlage bei einem Industriekunden in Betrieb genommen.“

Viele weitere Anwendungen werden derzeit erschlossen: Untersucht wird unter anderem, inwieweit das HEPHAISTOS-Verfahren zur Erzeugung von hochwertigen Oberflächen nach Spezifikationen der Automobilindustrie einsetzbar ist. So wurde inzwischen mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ein erstes Karosseriebauteil aus kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen erfolgreich mit der HEPHAISTOS-Technologie ausgehärtet.

Projektpartner in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit sechs Millionen Euro geförderten Verbundprojekt „Optimierte Fertigung von Faserverbundstrukturen mit modularen Mikrowellenhärtungsanlagen“ sind die Luft- und Raumfahrtunternehmen EADS und GKN Aerospace, die Chemiekonzerne BASF und Hexion, der Fahrzeughersteller Porsche, sowie die Composit-Hersteller SGL Carbon und Fritzmeier Composites. (jh)

Externer Link: www.kit.edu

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15.03.2010 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 12.03.2010

Forschungsarbeiten eröffnen Blick in die gemeinsame Vergangenheit von Mensch und Tier

Das Genom des Süßwasserpolypen Hydra, der als Modellsystem eine Schlüsselfunktion für die moderne evolutions- und entwicklungsbiologische Forschung besitzt, ist von einem internationalen Konsortium aus deutschen, österreichischen, japanischen und amerikanischen Wissenschaftlern entschlüsselt worden. Die Identifizierung des genetischen Repertoires erlaubt einen Blick in die gemeinsame Vergangenheit von Mensch und Tier. Maßgeblich an den Arbeiten beteiligt waren Forscher der Universitäten München, Kiel und Heidelberg sowie Wien und Innsbruck. Die Forschungsergebnisse werden am 14. März 2010 online in „Nature“ veröffentlicht.

Der Süßwasserpolyp Hydra gehört zu den mehr als 600 Millionen Jahre alten Nesseltieren (Cnidaria), die als einfache Mehrzeller an der Basis der tierischen Evolution standen. Um das Hydra-Genom und sein Repertoire an Genen zu entschlüsseln, haben die Wissenschaftler 1,2 Milliarden Basenpaare der DNA sequenziert. Unterstützt wurden die Arbeiten von zwei Genom-Instituten in den USA. Anschließend verglichen die Forscher die Hydra-Sequenz mit der Abfolge der DNA-Bausteine bei höheren Tieren und beim Menschen. Die aufwendigen Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie der National Science Foundation (NSF) und dem National Human Genome Research Institute (NHGRI) in den USA, dem National Institute of Genetics (NIG) in Japan und dem Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) in Österreich finanziert.

Die Ergebnisse der Forschungen zeigen, in welchem Maß das genetische Repertoire zwischen den einfachsten tierischen Formen, höheren Tieren und dem Menschen konserviert ist. Wie die Vertebraten, die Wirbeltiere, besitzt bereits Hydra einen Satz von rund 20.000 Genen. Alle wesentlichen molekularen Schalter für die Bildung der Epithelgewebe, der Muskulatur, der Stammzellen sowie des Nerven- und Immunsystems sind auf der Ebene dieses einfachen Mehrzellers entstanden. Die Entschlüsselung des Hydra-Genoms ist ein weiterer Schritt zum Verständnis des molekularen „Werkzeugkastens“, der der Evolution von Tieren und Mensch zugrundeliegt. Ziel ist es, eine der zentralen Fragen der Biologie zu beantworten: Was macht den Grundtypus eines tierischen Bauplans aus und wie haben sich daraus alle komplexeren Typen entwickelt?

Hydra wurde erstmals im Jahr 1702 von Antoni van Leeuwenhoek beschrieben. 1744 veröffentlichte der Genfer Naturforscher Abraham Trembley seine Beobachtungen über eine Serie von Experimenten mit dem Süßwasserpolypen. Sie zeigten zum ersten Mal die Fähigkeit, Organe und Gewebe zu regenerieren, sowie die Gewebetransplantation und die asexuelle Vermehrung eines Tieres. Seit dieser Zeit ist Hydra ein wichtiges Modellsystem, um Prozesse der Regeneration und Entwicklung zu studieren. Diese Untersuchungen haben zu grundlegenden Entdeckungen in der experimentellen Biologie geführt. Die nahezu unbegrenzte Regenerationsfähigkeit und die fehlenden Alterungsprozesse sowie die hohe Konservierung seines Genoms machen Hydra zu einem wichtigen Gegenstand der Forschung, der neue Ansätze für Stammzellbiologie und Biomedizin liefert.

Auf deutscher und auf österreichischer Seite haben Wissenschaftlerteams um Prof. Dr. Charles David (Ludwig-Maximilians-Universität München), Prof. Dr. Thomas Bosch (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) und Prof. Dr. Thomas Holstein (Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg) sowie Prof. Dr. Bert Hobmayer (Universität Innsbruck) und Prof. Dr. Ulrich Technau (Universität Wien) an den Forschungsarbeiten mitgewirkt.

Originalveröffentlichung:
Jarrod A. Chapman, Ewen F. Kirkness, Oleg Simakov et al., The Dynamic Genome of Hydra, Nature online (14 March 2010), doi: 10.1038/nature08830

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

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12.03.2010 von PaulWutz.

Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 04.03.2010

Stammzellen von Mensch und Maus unterscheiden sich stärker als vermutet - neue Studie stellt Forschungsvorgaben in Frage

Sie gelten als wichtigster Modellorganismus für die Erkundung der menschlichen Biologie: Obwohl Mäuse ganz anders aussehen, ähnelt ihre Grundausstattung der des Homo sapiens in vielerlei Hinsicht. Für beeindruckende 99 Prozent der Maus-Gene etwa gibt es eine entsprechende Sequenz im menschlichen Erbgut. So kommt es auch, dass das Gesetz Wissenschaftlern hierzulande nur erlaubt, mit menschlichen embryonalen Stammzellen zu forschen, wenn sie ihre Fragen so weit wie möglich an tierischen Zellen “vorgeklärt” haben. Doch solche Tests sind häufig nutzlos - und führen mitunter sogar in die Irre, wie eine aktuelle Untersuchung von Forschern um Hans Schöler vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster zeigt. (Cell Stem Cell, 5. März 2010)

Seit Jahren rätseln Wissenschaftler, wie weit sich Erkenntnisse aus Untersuchungen an embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) von Mäusen auf den Menschen übertragen lassen. Zwar sind sowohl humane als auch Maus-ES-Zellen pluripotent. Das heißt, sie sind in der Lage, jeden der über 200 Zelltypen des Körpers zu bilden. Auch ist in beiden Arten von Zellen zum Beispiel der so genannte Transkriptionsfaktor Oct4 aktiv. Jenes Gen also, das für die Aufrechterhaltung von Pluripotenz unerlässlich ist und sowohl Eizellen als auch embryonale Stammzellen und frühe Embryonen potentiell unsterblich macht.

In anderen Punkten aber, so weiß man seit längerem, unterscheiden sich ES-Zellen von Mensch und Maus ganz erheblich. Bestimmte Signalstoffe zum Beispiel, mit denen man Maus-Zellen dazu anregen kann, sich zu Leber-, Nerven- oder Muskelzellen zu entwickeln, rufen in menschlichen ES-Zellen keine oder ganz andere Wirkungen hervor.

Die Gründe dafür sind noch unklar. 2007 gelang es jedoch zwei Forscherteams, eine viel versprechende, neue Art von pluripotenten Zellen aus Embryonen von Mäusen zu isolieren (s. Brons und Kollegen, Nature 448, 2007). Auch diese so genannten Epiblast-Stammzellen (EpiSC) sind pluripotent. Sie stammen jedoch aus einem späteren Stadium der Embryonalentwicklung: Sie werden nicht (wie ‚klassische’ ES-Zellen) aus einem wenige Tage alten Embryo im Stadium einer Blastozyste gewonnen, sondern aus einem Embryo, der sich gerade in der Gebärmutter eingenistet hat und der als Epiblast bezeichnet wird.

Das Erstaunliche daran: Obwohl Epiblast-Stammzellen in ihrer Entwicklung eigentlich schon einen Schritt weiter sind, schienen sie den ES-Zellen des Menschen stärker zu ähneln als ‚klassische’ ES-Zellen der Maus. Sowohl Epiblast-Stammzellen als auch humane ES-Zellen lassen sich zum Beispiel unter Zugabe eines bestimmten Hormons, dem Wachstumsfaktor FGF2, züchten und in ihrem Alleskönner-Zustand halten. “In der allgemeinen wissenschaftlichen Diskussion wurden Epiblast-Stammzellen der Maus daher humanen ES-Zellen quasi gleich gesetzt”, sagt Boris Greber, der Erst-Autor der Studie.

Unterschiedliche Wirkung von Signalmolekülen

Doch der Biochemiker wollte es genauer wissen. Er und seine Kollegen haben deshalb in ihrer jüngsten Studie untersucht, wie Maus-Epiblast- und menschliche embryonale Stammzellen auf verschiedene Wachstumsfaktoren und Hemmstoffe reagieren. Und siehe da: Beide Arten von Zellen unterschieden sich in einem zentralen Punkt. Während der Wachstumsfaktor FGF die Selbsterneuerung der menschlichen ES-Zellen aktiv unterstützte, war dies bei Epiblast-Zellen der Maus eben nicht der Fall.

“Das heißt letztlich, dass viele Voruntersuchungen an tierischen Zellen gerade bei medizinisch relevanten Projekten unter Umständen nicht nur nichts nützen. Die Ergebnisse aus solchen Vorab-Tests können sogar irreführend sein.” Auch künftig, so Schöler, seien menschliche ES-Zellen für die Stammzellforschung daher unverzichtbar. “Die jüngsten Erfolge auf dem Gebiet der Reprogrammierung von ausgereiften menschlichen Körperzellen erzeugen mitunter den Eindruck, dass Versuche mit menschlichen ES-Zellen inzwischen überflüssig sind. Aber dieser Eindruck täuscht.” Weder die Techniken zur Reprogrammierung noch zur zielgerichteten Differenzierung von Zellen seien bislang ausgereift.

Menschliche Stammzellen bleiben unverzichtbar

Nur ein Bruchteil der Zellen, die die Forscher mit ihren Rezepten behandeln, weist anschließend die richtigen Eigenschaften auf. Und nur durch aufwändige, langwierige Tests lassen sich die erfolgreich umgewandelten Zellen unter einer Vielzahl von unvollständig reprogrammierten Zellen identifizieren. “Unsere jüngste Studie belegt, dass tierische Modellsysteme für etliche solcher Tests unzulänglich sind”, sagt Schöler. “Gerade, wenn es darum geht, sichere und wirksame Stammzelltherapien zu entwickeln, werden wir auch künftig humane ES-Zellen als Goldstandard zum Vergleich brauchen. Lange Voruntersuchungen an tierischen Zellen bergen in diesen Fällen die Gefahr, dass wir wertvolle Zeit und Ressourcen vergeuden.” [JMK]

Originalveröffentlichung:
Boris Greber, Guangming Wu, Christof Bernemann, Jin Young Joo, Dong Wook Han, Kinarm Ko, Natalia Tapia, Davood Sabour, Jared Sterneckert, Paul Tesar, Hans R. Schöler
Conserved and divergent roles of FGF signaling in mouse epiblast stem cells and human embryonic stem cells
Cell Stem Cell, 5. März 2010, doi:10.1016/j.stem.2010.01.003

Externer Link: www.mpg.de

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10.03.2010 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 04.03.2010

Protein-Bewegungen mit Nanosekunden-Auflösung vermessen

Forscher im Department Chemie der Technischen Universität München (TUM) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie lokale Bewegungen in Proteinen im Zeitbereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden beobachten können. Als sie damit Bewegungen des Proteins Villin untersuchten, fanden sie zwei sonst kaum voneinander unterscheidbare Strukturen: In der einen können schnelle Strukturänderungen stattfinden, die für die Proteinfunktion essentiell sind und im Zeitbereich von Nanosekunden ablaufen, die andere ist starr. Diese Ergebnisse sind in der aktuellen Online Ausgabe der Zeitschrift „Proceedings of the Natural Academy of Sciences, USA“ (PNAS) erschienen.

Eines der fünf wichtigsten Proteine in der Zelle ist das Aktin. Seine Filamente halten die Zelle zusammen und die wichtigsten Bausteine an ihrem Platz. Das Protein Villin vernetzt die langen Aktin-Fasern und trägt so erheblich zur Stabilisierung der Zellstrukturen bei. Der Teil des Villin Proteins, der für die Bindung an Aktinfilamente verantwortlich ist, HP35, war aufgrund seiner geringen Größe in den letzten Jahren Gegenstand einer großen Zahl von Computersimulationen zum Verständnis der Proteindynamik. Doch experimentelle Untersuchungen fehlten, da diese Protein-Bewegungen im Zeitbereich von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden ablaufen, einem Zeitbereich, der bisher experimentell kaum zugänglich war.

Mit einer in der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Kiefhaber entwickelten Methode, die auf schnellem Elektronenaustausch zwischen an verschiedenen Teilen eines Proteins angebrachten Marker-Molekülen beruht, konnten solche schnellen strukturellen Änderungen nun erstmals direkt untersucht werden. Als Modellsystem wählten sie den Aktin bindenen Teil des Villin-Proteins, HP35. Die neuen experimentellen Arbeiten vom Team um Thomas Kiefhaber zeigen nun, dass das gefaltete Protein in zwei Konformationen vorliegt, die sich strukturell nur wenig unterscheiden, aber sehr unterschiedliche dynamische Eigenschaften besitzen. In einer starren Konformation können keine größeren Strukturänderung stattfinden, während in der flexiblen Konformationen Teile des Proteins, die für die Aktinbindung verantwortlich sind, im Zeitbereich von 100 Nanosekunden falten und entfalten.

Die beiden Konformationen stehen im Gleichgewicht und werden im Zeitbereich von einer Mikrosekunde ineinander umgewandelt. Die strukturelle Ähnlichkeit der beiden Konformationen erklärt, warum sie bisher weder in strukturellen Untersuchungen noch in Computersimulationen entdeckt wurden. Durch den Einsatz von zeitaufgelösten Elektronenaustausch-Messungen können die verschiedenen Zustände jedoch auf Grund ihrer unterschiedlichen Beweglichkeit unterschieden und charakterisiert werden.

Die Erkenntnisse dieser Studie sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Funktion von Proteinen und tragen zur Aufklärung der Mechanismen der Faltung und Fehlfaltung von Proteinen bei. Die Forscher hoffen nun, dass sie diese Methode weiterentwickeln können, um sie an größeren Proteinen anzuwenden, die für die Regulation von Zellfunktionen wichtig sind.

Originalpublikation:
Andreas Reiner, Peter Henklein und Thomas Kiefhaber
An unlocking/relocking barrier in conformational fluctuations of villin headpiece subdomain
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Early Online Edition. doi: 10.1073/pnas.0910001107

Externer Link: www.tu-muenchen.de

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