Archiv des Monats: August 2010

Mit höchster Konzentration ins Ziel

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 10.08.2010

Nanopartikel schleusen Wirkstoff in Krebszellen ein

Krebszellen vermehren sich unkontrolliert und bedrohen so gesundes Gewebe. Ein Weg gegen ihre Ausbreitung könnte in Zukunft direkt über das Innere der kranken Zellen führen. In enger Zusammenarbeit ist es drei Arbeitsgruppen der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) gelungen, den Wirkstoff Colchicin in konzentrierter Form mit Hilfe von Nanopartikeln direkt in Zellen einzuschleusen. Colchicin hemmt die Zellteilung und somit die Vermehrung von Krebszellen. Als Grundlage dienten den Forschern der LMU winzige Silikatpartikel mit einem Durchmesser von rund 50 Nanometern (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter). Die Partikel sind in dieser Größe klein genug, um eine Zellmembran zu durchdringen und aufgrund ihrer porösen Struktur können Wirkstoffe wie Colchicin gut absorbiert werden. Damit der Wirkstoff nicht schon vor seinem Ziel auf dem Weg durch den Körper freigesetzt wird, entwickelten die Wissenschaftler eine Art Schutzhülle, die dies verhindert. Mit nur einem Behandlungsschritt schafften sie es, die Partikel mit einer Doppelschicht aus Lipidmolekülen zu überziehen, die die Wirkstoffe erst im Zellinneren wirklich entweichen lässt. Das Prinzip sei universell einsetzbar, erklärt Professor Bein: „Colchicin dient hier als ein Beispiel für zahlreiche andere Wirkstoffe, die auf diese Weise in Zellen eingeschleust werden könnten.“

Nanopartikel sind so klein, dass sie über die Membran, die die natürliche Barriere einer Zelle bildet, in deren Innenraum eindringen können. Diese Fähigkeit könnte in Zukunft gerade für die Behandlung von Krebszellen große Chancen bieten. In ersten Versuchen wurde bereits gezeigt, dass die mit Wirkstoffen beladenen Partikel diese gezielt in die befallenen Zellen transportieren. Die benötigte Medikamentendosis könnte dadurch deutlich verringert und damit auch mögliche unerwünschte Nebenwirkungen reduziert werden. Entscheidend hierfür ist jedoch, dass die Wirkstoffe bis zum Eintritt in die Zelle im Nanopartikel verbleiben.

LMU-Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen der Professoren Joachim Rädler (Fakultät für Physik), Christoph Bräuchle und Thomas Bein (beide Department Chemie) entwickelten gemeinsam eine Methode, um die Wirkstoffe in den Nanoteilchen zu halten. Dazu gaben sie die Partikel in eine alkoholische Lösung mit Lipid-Molekülen und fügten schrittweise Wasser hinzu. Mit steigendem Wassergehalt bildeten die Lipide von selbst eine Hülle um die Partikel in Form einer Lipid-Doppelschicht. Wie dicht dieser Überzug ist, zeigte ein Test mit Farbstoffmolekülen. Statt mit einem Wirkstoff beluden die Wissenschaftler hierfür die Nanopartikel mit einem Fluoreszenzfarbstoff und gaben sie in eine Küvette mit Wasser. Während die unpräparierten Nanopartikel ohne Lipidhülle nach einer Stunde den Großteil der Farbmoleküle nach außen abgegeben hatten, ließ sich im Wasser des zweiten Ansatzes mit umhüllten Partikeln keinerlei Farbstoff nachweisen. Colchicin konnte durch die Lipidschicht in parallelen Versuchen nicht vollständig zurückgehalten werden, Spuren des Wirkstoffes fanden sich im Medium außerhalb der Partikel. Der größte Teil des Medikamentes diffundierte jedoch erst nach dem Eintritt in die Zielzelle und konnte dort seine wachstumshemmende Wirkung entfalten.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Verschluss von porösen Nanopartikeln mit Lipiden ein effektives Konzept zur Beladung mit Wirkstoffen ist. Dies ermutigt uns, auch andere pharmazeutische Wirkstoffe auf diese Weise in Zellen zu transportieren und deren Wirksamkeit zu untersuchen. Wir sehen hier ein großes Potenzial für die gezielte Freisetzung von Medikamenten, “ so Professor Bein. (NIM/bige)

Publikation:
„Colchicine-loaded lipid bilayer-coated 50 nm mesoporous nanoparticles efficiently induce microtubule depolymerization upon cell uptake“,
Valentina Cauda, Hanna Engelke, Anna Sauer, Dephine Arcizet, Christoph Bräuchle, Joachim Rädler and Thomas Bein.
Nano Letters 2010, 10, S. 2484-2492

Externer Link: www.uni-muenchen.de

James hat dazugelernt: robots@home sind Helden des Alltags

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 05.08.2010

Innerhalb von 3 Jahren intensiver Forschungsarbeit haben Elektrotechniker der Technischen Universität (TU) Wien ihren Roboter-Butler „James“ wesentlich weiterentwickelt. Er erkennt nicht nur die Möbel und Gegenstände in einem Zimmer, er kann jetzt selbstständig einen gelernten Ort ansteuern und dadurch Menschen bei der Bewältigung ihres Alltages unterstützen.

Wien (TU). – Wünschen wir uns nicht alle einen Helfer für zu Hause, der uns Dinge bringt oder aufräumt? Forscher der TU Wien sind dem Ziel eines Roboter-Butlers wieder einen wesentlichen Schritt näher gekommen. Während heutige Staubsaugroboter zufällig in der Wohnung herumfahren, gelingt es nun erstmals im Rahmen des EU-Projektes robots@home, dem Roboter einmal einen Platz in der Wohnung zu zeigen, den er lernt und den er jederzeit eigenständig auch wieder ansteuern kann. Für die Eingabe von Informationen in den Roboter machen sich die TU-Techniker einen Joy-Stick zunutze, wie er bei Spielkonsolen verwendet wird. Die Vergabe von Namen für die eindeutigen Plätze erfolgt durch Spracheingabe über ein Smartphone oder ein iPad. So kann man James Anweisungen geben und der genannte oder am Bildschirm angegebene Ort wird vom Roboter angefahren.

Wie James die Dinge „sieht“

Der Roboter nimmt die Informationen über bestimmte Orte mittels Stereokamerasystem und Lasersensoren auf. Die Lasersensoren knapp über dem Boden geben die Distanz zu Wänden an, während mit Hilfe der Stereokameras der Boden und darauf liegende Gegenstände erkannt werden. So ist sichergestellt, dass der Roboter die schlafende Katze umfährt, keine Treppen hinunterstürzt, und auch auf Tische blicken kann. James wurde Ende Mai 2010 von den Gutachtern der EU Kommission in einer Wiener Wohnung erfolgreich getestet. In den 6 Zimmern wurden 14 Plätze eingelernt und konnten beliebig wieder angefahren werden. Beim Vorbeifahren hat der Roboter auch Türen und Stühle erkannt.

Während wichtige Funktionen wie eine sichere Navigation erfüllt werden, ermöglichen die zwei Stereokamerasysteme, beigesteuert vom Austrian Institute of Technology (AIT), bereits einen Blick in die Forschungszukunft. Der Blick des Roboters auf die Gegebenheiten in der Wohnung aus einer Höhe von ca. 100 – 150 cm ist vergleichbar mit der Perspektive eines größeren Kindes. Dadurch können auch Möbel erkannt werden. Damit denken die Forscher bereits an den nächsten Schritt: das direkte Benennen von Orten und Plätzen: „Fahr‘ zum Küchentisch!“ oder „Fahr‘ zum Fernsehsessel!“ soll damit sofort möglich sein – ohne dass jeder einzelne Platz programmiert werden muss.

Firmenkooperationen in Sicht

Bei IKEA Vösendorf zeigen die Forscher James im neuen Design von InSeq und laden BesucherInnen ein, den Roboter selbst zu bedienen. Mit dem iPad kann man James entweder zu sich oder in einen anderen Raum dirigieren. Ganz nebenbei wird der Roboter-Butler dabei verschiedene Möbel erkennen. Einige Firmen sind bereits an der TU-Technologie interessiert. Die Firma Legrand Austria GmbH möchte die Produkte in der Automatisierung von Licht- und Beschattungstechnik durch einen Roboter erweitern. Nestlé Nespresso denkt daran, Roboter-Kaffeeservice anzubieten und die Otto Bock Healthcare Products GmbH möchte es bettlägerigen Personen ermöglichen, durch eine erweiterte Präsenz mit Bildschirm am Roboter und den Bildern der Kameras besser am Familienleben teilzunehmen. (Bettina Neunteufl)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Vom Schwamm zum Säuger: Auf der Suche nach gemeinsamen Vorfahren

Veröffentlicht am von

Presseinformation der Universität Göttingen vom 05.08.2010

Forscherteam mit Wissenschaftlern der Universität Göttingen entschlüsselt Schwamm-Genom

(pug) Einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern ist es gelungen, die Genomsequenz eines Hornkieselschwamms teilweise zu entschlüsseln. Dabei fanden die Forscher heraus, dass das Genom von Amphimedon queenslandica, der im australischen Great Barrier Reef lebt, eine erstaunliche Ähnlichkeit zum Genom komplexerer Tiere einschließlich Säugetieren aufweist. Die Ergebnisse ihrer Forschung haben die Wissenschaftler nun in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. An dem Projekt sind neben 31 anderen Wissenschaftlern auch Juniorprofessor Dr. Daniel Jackson und Prof. Dr. Mario Stanke von der Universität Göttingen beteiligt.

Das Forscherteam kam zu überraschenden Erkenntnissen: Obwohl Schwämme primitiv aussehen und auf der untersten Entwicklungsstufe vielzelliger Lebewesen stehen, unterscheidet sich die Zusammensetzung ihres Erbguts nicht wesentlich von denen höher entwickelter Tiere. Die Wissenschaftler erhoffen sich nun durch das Studium von A. queenslandica tiefere Einsichten darüber, wie die Erbanlagen eines möglichen „universellen Vorfahren“ aller Tiere ausgesehen haben könnten – sozusagen an der Schnittstelle zwischen Schwamm und komplexeren Tieren mit echten Geweben.

Das Sequenzieren des Genoms von A. queenslandica wurde den Forschern allerdings durch einige biologische Besonderheiten erschwert. Zum einen mussten sie eine ausreichende Menge reiner DNA gewinnen. Da Schwämme jedoch häufig aus einer Mischung aus Schwamm- und Bakterienzellen bestehen, haben die Wissenschaftler Embryonen und Larven des Hornkieselschwamms von einem erwachsenen Schwamm isoliert. Im nächsten Schritt wurden die Chromosomen, Molekülketten aus etwa 170 Millionen Nukleotiden, in kleinere Stücke zerbrochen, um sie sequenzieren zu können.

In einem komplexen Verfahren hat Juniorprofessor Jackson vom Courant Forschungszentrum Geobiologie der Universität Göttingen nun eine sogenannte DNA-Bibliothek erstellt. Darin sind die Teile der DNA „archiviert“, die die Bauanleitung für Eiweiße des Schwamms enthalten. Diese Bibliothek ist relativ frei von sogenannter Junk-DNA, deren Funktion bisher unbekannt ist, und erhöht damit die Qualität der Genomsequenz. Prof. Stanke, bis Juni dieses Jahres am Institut für Mikrobiologie und Genetik der Universität Göttingen tätig, hat ein Computerprogramm entwickelt, das basierend auf einem mathematischen Modell gelernt hat, welche DNA-Abschnitte zu einem Gen gehören. Die so vorhergesagten Eiweißsequenzen wurden dann mit denen anderer Tiere verglichen. Dabei lässt eine signifikante Ähnlichkeit darauf schließen, dass das entsprechende Gen bereits in gemeinsamen Vorfahren einen Vorläufer hatte, von dem die heutigen Gene abstammen.

Indem die Wissenschaftler das Genom von A. queenslandica mit denen anderer Tiere wie einem Wurm, einer Fruchtfliege oder einer Maus verglichen, konnten sie nachvollziehen, wie bestimmte Gene die Entwicklung eines Organismus kontrollieren, sich evolutionär verändert und entwickelt haben. Dabei fand das Forscherteam heraus, dass die „Kern-Bauanleitung“, die die Entwicklung eines komplexen Tieres steuert, auch im Genom eines Schwamms enthalten ist. Dazu zählen wichtige Kennzeichen von Mehrzelligkeit bei Tieren, wie regulierter Zellzyklus und Zellwachstum und der programmierte Zelltod. Viele dieser Gene, die mit dem Aufkommen von Komplexität bei Tieren in Verbindung gebracht werden, sind nach Ansicht der Forscher mit Krebs verknüpft – einer Krankheit gestörter Mehrzelligkeit.

Originalveröffentlichung:
Srivastava et al.: The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity. Nature. DOI: 10.1038/nature09201.

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Die pulsierende Leere nach dem Elektron

Veröffentlicht am von

Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 04.08.2010

Ultrakurze Pulse zeigen erstmals in Echtzeit, was in einem Atom passiert, aus dem ein einzelnes Elektron herausgeschlagen wurde

Wie Elektronen sich in der äußeren Schale eines Atoms bewegen, hat ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München beobachtet. Die Physiker haben in einem Edelgasatom den quantenmechanischen Prozess verfolgt, der dort stattfindet, wo kurz zuvor ein Elektron aus seiner Umlaufbahn herausgeschlagen wurde. Demnach hinterlässt das Elektron dabei ein pulsierendes Loch. Für das Experiment nutzten die Forscher Lichtpulse, die nur wenig mehr als 100 Attosekunden dauern. Sie eröffnen damit die Möglichkeit, die Bahnen von Elektronen auch in Molekülen und Festkörpern zu beobachten. (Nature, 5. August 2010; Doi:10.1038/nature09212)

Quantenteilchen, wie Elektronen, sind flüchtige Zeitgenossen. Wo genau sich Elektronen in einem Atom aufhalten, kann niemand sagen. Die Elementarteilchen folgen den Gesetzen der Quantenmechanik: Quantenphysiker können nicht zugleich die Bewegung und den Aufenthaltsort eines Teilchens bestimmen. Daher geben sie für den Aufenthaltsort nur Wahrscheinlichkeiten an, die die Form von Wolken annehmen. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit halten sie sich jeweils in einem charakteristisch geformten Orbital auf. Manchmal besetzt ein Elektron zwei oder mehr Orbitale auf einmal, Physiker sprechen dann von einem Überlagerungszustand. Dann nimmt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Partikel die Form einer pulsierenden Wolke an. Um sich zwischen den verschiedenen Aufenthaltsräumen hin- und her zu bewegen brauchen die Elektronen nur einige hundert Attosekunden. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde.

Die Bewegung von Elektronen haben die Forscher um Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität, nun erstmals verfolgt. In einer Kooperation mit der King-Saud-Universität (Riad, Saudi-Arabien), des Argonne National Laboratory (USA) und der University of California, Berkeley (USA) haben die Physiker zunächst ein Elektron aus der äußeren Hülle eines Kryptonatoms herausgelöst. Anschließend haben sie gemessen, wie sich die Wolke der verbleibenden Elektronen bewegt.

Bei ihren Experimenten ließen die Physiker Laserpulse aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums auf Kryptonatome treffen. Die Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als vier Femtosekunden – eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde – schlugen aus den äußeren Schalen der Atome jeweils ein Elektron heraus. Das Atom wird dann zum positiv geladenen Ion. An der Stelle, an der das Elektron das Atom verlassen hat, entsteht ein positiv geladenes Loch. Quantenmechanisch gesehen pulsiert dieser freie Platz nun im Atom weiter als sogenannte Quantenschwebung.

Erkenntnisse, die zu den Grenzen der Elektronik führen

Das Pulsieren haben die Physiker nun mit einem zweiten, nur noch 150 Attosekunden langen Puls von extrem kurzwelligem ultraviolettem Licht direkt beobachtet, also quasi gefilmt. Es stellte sich heraus, dass sich die Position des Lochs im Ion, also der positiv geladenen Stelle, innerhalb von nur rund sechs Femtosekunden zyklisch zwischen einer langgestreckten keulenartigen und einer kompakten zusammengezogenen Form hin und her bewegt. „Damit ist es uns zum ersten Mal gelungen, die Veränderung einer Ladungsverteilung in einem Atom direkt aufzuzeichnen“, erklärt Eleftherios Goulielmakis, Forschungsgruppenleiter im Labor für Attosekundenphysik von Ferenc Krausz.

„Mit unseren Experimenten haben wir einen einzigartigen Echtzeit-Einblick in den Mikrokosmos erhalten“, erläutert Ferenc Krausz. „Wir haben erstmals die quantenmechanischen Vorgänge in einem ionisierten Atom mit Attosekunden-Lichtblitzen aufgezeichnet.“ Die Erkenntnisse helfen, die blitzschnelle Dynamik von Elementarteilchen außerhalb des Atomkerns besser zu verstehen.

In weiteren Untersuchungen wollen die Physiker des Labors für Attosekundenphysik filmen, wie sich Elektronen in Molekülen und Festkörpern bewegen. Damit werden sie auch neue Einsichten in biologische und chemische Prozesse ermöglichen, die letztlich immer auf der Bewegung von Elektronen beruhen. Sobald sich diese Prozesse mit exakteren Modellen beschreiben lassen, eröffnen sich möglicherweise auch neue Einsichten in die mikroskopischen Ursachen schwerer Krankheiten. Das Verständnis der ultraschnellen elektronischen Prozesse dürfte aber auch dazu beitragen, die elektronische Datenverarbeitung schrittweise zur ultimativen Grenze der Elektronik zu beschleunigen. [TN/PH]

Originalveröffentlichung:
Eleftherios Goulielmakis, Zhi-Heng Loh, Adrian Wirth, Robin Santra, Nina Rohringer, Vladislav S. Yakovlev, Sergey Zherebtsov, Thomas Pfeifer, Abdallah M. Azzeer, Matthias F. Kling, Stephen R. Leone und Ferenc Krausz
Real-time observation of valence electron motion
Nature, 5. August 2010, Doi:10.1038/nature09212

Externer Link: www.mpg.de

Rundholz mit Antenne

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom August 2010

Funk-Etiketten auf Holzbasis sollen künftig die Logistikprozesse in der Forstwirtschaft optimieren. Die RFID-Transponder bestehen aus Papier und dem Pflanzenbestandteil Lignin. So stören sie nicht bei der Verarbeitung der Stämme und ermöglichen es dennoch, komplette Lkw-Fuhren mit Rundholz zu erfassen.

Waldspaziergängern sind sie bestens bekannt, die farbigen Markierungen auf den Baumstämmen, die längs der Forstwege auf ihren Abtransport warten. Zu deuten wissen sie freilich nur Eingeweihte. »Im Prinzip hat jeder Förster oder Waldbesitzer sein eigenes Kennzeichnungssystem«, stellt Mike Wäsche vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg fest. Der Wirtschaftsinformatiker will die Markierungen durch einheitliche RFID-Transponder, sprich Funk-Etiketten, ersetzen – gemeinsam mit Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin, der Thüringer Landesanstalt für Wald, Jagd und Fischerei sowie weiteren Partnern aus der Forstwirtschaft. Gleichzeitig soll ein RFID-basierter Logistik-Standard für den Datenaustausch zwischen Waldbesitzern, Ernte- und Fuhrunternehmen sowie den gewerblichen Endabnehmern etabliert werden.

Im forstlichen Umfeld gibt es zwar seit 2002 den ELDAT-Standard für den ELektronischen DATenaustausch von Verkaufsinformationen. Logistische Prozesse sind darin aber nur ansatzweise berücksichtigt. Dazu kommen Lücken in der IT-Infrastruktur: »Informationstechnologien setzen bislang eigentlich nur die großen Akteure ein«, bedauert Wäsche. Von einem durchgängigen elektronischen Datenaustausch in Verbindung mit RFID könnten jedoch alle Beteiligten profitieren – auch die kleinen und mittleren Betriebe, die meist für Holzernte und Transport zuständig sind: Daten wie Herkunft, Qualität, Menge und Bestimmungsort der Stämme müssen nur noch einmal erfasst werden. Außerdem lässt sich das Holz schnell und sicher zuordnen, was die Abrechnung beschleunigt und die Abfuhrkontrolle vereinfacht.

Hochwertiges Stammholz für Möbel oder Parkett wird häufig schon mit Nummernplättchen oder Funk-Etiketten gekennzeichnet. Die Partner des Projekts »Intelligentes Holz – RFID in der Rundholzlogistik« wollen jedoch eine praktikable Lösung, die sich zum Kennzeichnen aller Holzsorten eignet – auch der gut zehn Millionen Kubikmeter Industrieholz, die jährlich in Deutschland anfallen. Industrieholz wird aufgefasert und zu Zellstoff, Papier oder Holzwerkstoff-Platten verarbeitet. »Die Gewinnmargen in diesem Sektor sind gering, deshalb dürfen die eingesetzten RFID-Transponder weder viel kosten, noch bei der weiteren Verarbeitung des Holzes stören«, betont Projektleiter Wäsche. Das Team am IZM hat daher einen Transponder auf Holzbasis entwickelt: Mit Ausnahme der Antenne besteht der »Tag« aus Papier und Lignin. Das harzartige Polymer fällt in großen Mengen bei der Gewinnung von Cellulose aus Holz an. »Der Metallanteil des Transponders liegt weit unter dem, was sonst an Verunreinigungen im und am Holz üblich ist«, erklärt Christine Kallmayer, Gruppenleiterin am IZM.

Um die Kosten gering zu halten, wird auf den Funk-Etiketten nur ein Zahlencode gespeichert. Alle weiteren Informationen sind in den Verwaltungs- und Abrechnungssystemen der einzelnen Akteure hinterlegt. Ausgelesen werden die Tags im Vorbeifahren: Bei der Anlieferung am Werk passiert der LKW samt Ladung ein Reader-Gate. Alle angelieferten Stämme werden noch auf dem Fahrzeug im Pulk erfasst. Pro LKW-Ladung reichen theoretisch ein bis zwei RFID-Transponder, um alles eindeutig zu identifizieren. Stammt das Holz einer Fuhre von mehreren Lieferanten, muss für eine sichere Zuordnung mindestens jeder zwanzigste beziehungsweise jeder dreißigste Stamm gekennzeichnet werden – je nachdem, wie groß die einzelnen Chargen sind. Das Projekt läuft noch bis Anfang 2011, aber bereits jetzt denkt das IFF über Anfragen aus der Chemieindustrie nach: Hier könnten nach demselben Prinzip Metallfässer mit gefährlichen Flüssigkeiten pulkweise erfasst und verfolgt werden.

Externer Link: www.fraunhofer.de