Archiv des Monats: September 2011

Grüne Chemie – Kontrollierte Polymerisation mittels Enzymen aus Meerrettich

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 16.09.2011

Enzyme, die Katalysatoren der Natur, werden immer häufiger als umweltfreundliche Alternativen zu konventionellen Katalysatoren in chemischen Synthesen eingesetzt. Forschenden der Universität Basel ist es gelungen, die katalytische Aktivität eines aus Meerrettich isolierten Enzyms in einer Polymerisationsreaktion unter Atomtransfer nachzuweisen. Diese neuartige Enzymaktivität könnte zur Herstellung sicherer und günstiger Polymere führen, die keine giftigen oder anderweitig schädlichen Katalysatorrückstände enthalten und als Verpackungsmaterialien für Lebensmittel oder als Materialien in der Medizintechnik eingesetzt werden. Ihre Forschungsergebnisse sind in der online Ausgabe der Fachzeitschrift «Macromolecular Rapid Communications» veröffentlicht.

In Polymerisationsreaktionen werden gleichartige Bausteine (die Monomere) zu grossen Verbindungen, den sogenannten Polymeren, zusammengesetzt. Polymere begegnen uns im Alltag als Kunststoffe in fast allen Bereichen des modernen Lebens, zum Beispiel als Verpackungen, in der Medizintechnik oder als elektronische und optische High-Tech-Materialien. Der Einsatz von Enzymen in derartigen Reaktionen ist bisher auf ein paar wenige konventionelle Polymerisationen beschränkt. In der kontrollierten Radikalpolymerisation unter Atomtransfer (ATRP, atom transfer radical polymerisation) – einer Reaktion mit beträchtlichem kommerziellen Potential, die die Synthese wohldefinierter Polymere mit komplexer Architektur erlaubt – wurden bislang nur Übergangsmetallkatalysatoren eingesetzt, die oft giftig und nicht umweltfreundlich sind.

Nico Bruns und Mitarbeitende vom Departement Chemie der Universität Basel berichten nun über die Aktivität einer Peroxidase, einem Enzym aus den Wurzeln der Meerrettichpflanze, die eine Polymerisation unter den spezifischen Bedingungen einer ATRP katalysiert. Bemerkenswert ist, dass das verwendete Monomer nicht zur Substanzklasse der sogenannten Peroxide gehört, welche normalerweise von Peroxidasen umgesetzt werden.

Diese neuartige Enzymaktivität wird von den Autoren als «ATRPase-Aktivität» bezeichnet und könnte zur Herstellung sicherer und günstiger Polymere führen, die keine giftigen oder anderweitig schädlichen Katalysatorrückstände enthalten und als Verpackungsmaterialien für Lebensmittel oder als Materialien in der Medizintechnik eingesetzt werden könnten. Das hier beschriebene Enzym und andere ATRPasen könnten so zu «grünen Alternativen» konventioneller ATRP-Katalysatoren werden.

Enzyme sind die Katalysatoren der Natur. Ohne sie wäre Leben nicht möglich, da sie chemische Reaktionen unter milden Bedingungen sowohl inner- als auch ausserhalb von Zellen ermöglichen. Enzyme sind aber auch nützliche Werkzeuge des Synthesechemikers als umweltfreundliche, ungiftige und oft hochgradig selektive Alternativen zu konventionellen Katalysatoren.

Originalpublikation:
Severin J. Sigg, Farzad Seidi, Kasper Renggli, Tilana B. Silva, Gergely Kali und Nico Bruns
Horseradish Peroxidase as a Catalyst for Atom Transfer Radical Polymerization
Macromolecular Rapid Communications, 12. August 2011
Macromol. Rapid Commun. 2011, 32; DOI: 10.1002/marc.201100349

Externer Link: www.unibas.ch

Software für unfallfreie Straßen

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Pressemitteilung der Universität Passau vom 15.09.2011

Das Institut FORWISS der Universität Passau forscht mit Autoherstellern und Zulieferern in einem EU-geförderten Projekt an der nächsten Generation von Sicherheitssystemen für intelligente Fahrzeuge. Demonstrationsfahrzeuge testen erste Softwaremodule des Projekts interactIVe im Herbst.

„Wir wollen einen für alle Teilnehmer sichereren Verkehr – das heißt weniger verletzte Fußgänger und Radfahrer, weniger Auffahrunfälle und Vorrichtungen gegen Sekundenschlaf.“ An diesem Ziel arbeitet Dr. Erich Fuchs, Geschäftsführer des Instituts FORWISS der Universität Passau, gemeinsam mit Autoherstellern wie Daimler, BMW, Ford und Volvo, Zulieferern wie Continental und weiteren Forschungseinrichtungen im von der EU geförderten Projekt interactIVe. Die Beteiligten wollen unter der Projektleitung von Ford Europa Sicherheitstechnik vereinfachen, vereinheitlichen und breiter einsetzbar machen. Wenn die 29 Projektpartner ihre Arbeit an interactIVe 2013 abschließen, wollen sie die Voraussetzung geschaffen haben, dass Systeme wie Spurwechsel- und Bremsassistenten oder Abstandsregler nicht nur in Luxusautos verbaut werden, sondern ihren Weg auch in den Kleinwagen der Studentin, in den Kombi der jungen Familie und den Mittelklasse-Firmenwagen finden. So wie der typische Disco-Unfall – mit überhöhter Geschwindigkeit aus der Kurve fliegen – durch die flächendeckende Verbreitung von ESP deutlich abgenommen hat, soll der Fahrer in Zukunft durch weitere elektronische Assistenten unterstützt und dadurch die Sicherheit im Straßenverkehr verbessert werden. FORWISS erhält in diesem Projekt für die Softwareentwicklung eine Fördersumme von ca. EUR 500.000 aus dem 7. Rahmenprogramm der EU.

Das Projekt will die einzelnen Funktionen miteinander vernetzen. „Bisher funktioniert jede einzelne Anwendung abgeschlossen für sich. Ein Sensor beobachtet allein für einen bestimmten Zweck die Umgebung, ein extra Chip verarbeitet getrennt von anderen Funktionen dessen Daten. Wir wollen, dass z.B. die Kamera des Spurwechselassistenten, der GPS-Empfänger des Routenplaners und das Radar der Abstandsregulierung ihre Daten auf einer gemeinsamen Plattform fusionieren, die dann die Ergebnisse allen Anwendungen zur Verfügung stellt“, erklärt Eva Lang, Mitarbeiterin im Projekt. Durch die Kombination von Informationen aus verschiedenen Sensoren bietet die Elektronik dem Fahrer ein genaueres und zuverlässigeres Bild der Umgebung, ihrer Risiken und kann bessere Handlungsempfehlungen geben. Das Fahrzeug erkennt noch sicherer und robuster, wenn der Fahrer die reguläre Spur verlässt oder wenn Hindernisse auftauchen, und verhindert Crashs durch aktive Bremsunterstützung.

Durch eine gemeinsame Plattform müsste auch nicht jede Anwendung über eigene Sensoren verfügen, die Zahl der Bauteile könnte sinken. „Allein in einem 7er BMW arbeiten momentan je nach Ausstattung bis zu 70 Prozessoren“, erläutert Sebastian Pangerl, ebenfalls Mitarbeiter im Projekt. Verlagert man die Komplexität der Sicherheitstechnik von der Hard- auf die Software, könnte man eventuell einige sparen. Die von FORWISS programmierten Schnittstellen sollen es im Rahmen von interactIVe auch ermöglichen, dass die zentrale Plattform mit den gängigen Sensoren unterschiedlicher Hersteller kompatibel ist. Auch das macht den Einsatz von Sicherheitstechnik günstiger und für kleinere Automodelle attraktiver. Die erste Version der von FORWISS entwickelten Software wird noch in diesem Jahr in Demonstrationsfahrzeugen aufgespielt und getestet. Die Chancen für eine Marktreife dieses neuen Sicherheitskonzeptes schätzen Fuchs, Lang und Pangerl aus Erfahrung hoch ein. FORWISS war von 2004 bis 2008 bereits an einem Vorgängerprojekt zur Kollisionsvermeidung bzw. -abschwächung beteiligt. Solche Systeme wie z.B. ein Bremsassistent sind heute im aktuellen 5er BMW, im Ford Focus und in Modellen von Volvo verfügbar. (Steffen Becker)

Externer Link: www.uni-passau.de

Fernsehen ohne schwarze Balken

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Presseaussendung der JKU Linz vom 09.09.2011

Informatiker der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz haben ein Verfahren entwickelt, um Videoinhalte so an ein Bildschirmformat anzupassen, dass keine Seitenverhältnisse mehr verändert oder Bildinhalte abgeschnitten werden. Fernsehbilder mit schwarzen Balken, Verzerrungen oder fehlenden Elementen gehören damit der Vergangenheit an. Das Projekt wurde während der weltgrößten wissenschaftlichen Konferenz für Computergrafik (der ACM Siggraph) bereits ausgezeichnet.

Der Fernsehzuseher kennt es zur Genüge: Man besitzt ein modernes TV-Gerät, das darauf ausgelegt ist, Filme in bester Bildqualität (HD) und im 16:9 Format zu genießen. Werden diese aber im alten 4:3 Format ausgestrahlt, sind schwarze Balken im Bild zu sehen, die einfach ungenutzt bleiben – entweder oben und unten, oder links und rechts. Heutige Fernsehgeräte nutzen daher Möglichkeiten, den Inhalt an das Bildschirmformat anzupassen. Entweder wird der Videoinhalt in eine oder beide Richtungen skaliert, um damit den gesamten Bildinhalt zu füllen – das so genannte „Stretching“, oder er wird in beide Richtungen gleich skaliert, sodass das originale Seitenverhältnis erhalten bleibt und der Bildschirminhalt gefüllt wird – das „Zooming“. Beide Varianten haben Nachteile: Beim Stretching bleibt das originale Seitenverhältnis des Videoinhaltes nicht erhalten, Proportionen (insbesondere Gesichter oder Personen) werden unnatürlich verzerrt. Das Zooming dagegen führt dazu, dass Inhalte in einer Richtung abgeschnitten und gar nicht mehr auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Display Pixel Caching: Bildkorrektur ohne Verzerrungen oder Abschneiden

Wissenschafter vom Institut für Computergrafik der JKU unter der Leitung von Prof. Oliver Bimber haben nun eine weitere Variante der Bildkorrektur, das sogenannte Display Pixel Caching (DPC), entwickelt. Damit gehören schwarze Balken, Verzerrungen oder abgeschnittene Bilder endgültig der Vergangenheit an.

DPC belässt zunächst den Originalvideoinhalt unangetastet, er wird also weder „gestretcht“ noch „gezoomt“, und das Videobild erscheint unverändert im Original. Das System analysiert in Echtzeit (selbst für große Videoauflösungen wie Full-HD) die Bewegungen innerhalb des Videos, die durch Kameraschwenks oder Objektbewegungen entstehen. Diese Bewegungen werden aufgeteilt und Bild für Bild zu einem immer größer werdenden Panoramabild zusammen gesetzt. Diese Panoramabilder füllen dann schrittweise die normalerweise leer bleibenden Randbereiche auf dem Bildschirm. Dabei werden keine Seitenverhältnisse verändert (es kommt also nicht zu unnatürlichen Verzerrungen wie bei Stretching) oder Bildinhalte abgeschnitten (wie bei Zooming). Im Gegenteil: die Panorama-Bilder zeigen mehr Inhalt als ein einzelnes originales Videobild. Dieser zusätzliche Inhalt entsteht durch die Ansammlung der Inhalte von vorherigen Videobildern.

Im Rahmen einer initialen Benutzerstudie hat sich gezeigt, dass Probanden das DPC in den meisten Fällen als Verbesserung bewerten und gegenüber den existierenden Verfahren zur Bildkorrektur bevorzugen.

Ausgezeichnetes Forschungsprojekt

DCP hat bei einem internationalen Wissenschaftswettbewerb bereits für Furore gesorgt und so der JKU-Informatik einen großen Erfolg beschert: Clemens Birklbauer belegte mit seiner am Institut für Computergrafik verfassten Masterarbeit, in der er sich mit dem Projekt beschäftigt hat, bei der von der ACM („Association for Computing Machinery“ – die weltgrößte wissenschaftliche Vereinigung für Computing und Informatik) veranstalteten Student Research Competition den sensationellen 2. Platz der Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques (ACM Siggraph). Verliehen wurde die Auszeichnung auf der gleichnamigen Konferenz, die Anfang August in Vancouver, Kanada, stattgefunden hat. Geschlagen wurde das JKU-Team nur von der renommierten University of Cambridge, den dritten Platz belegte die University of Tokyo. (Manfred Rathmoser)

Externer Link: www.jku.at

Kürzestes je von Menschen aktiv beherrschtes Zeitintervall realisiert

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Pressemitteilung der Universität Kassel vom 05.09.2011

Einen Vorstoß in völlig neue Zeitbereiche und ein neuer Rekord bezüglich des kürzesten jemals von Menschen aktiv beherrschten Zeitintervalls gelang jetzt Kasseler Physikern:

Sie realisieren optische Messungen mit einer zeitlichen Präzision von 300 Zeptosekunden.

Damit haben die Kasseler Forscher im Fachgebiet Experimentalphysik III – Femtosekunden-Spektroskopie unter Leitung von Prof. Dr. Baumert den bisherigen Rekord von 12 atto Sekunden um den Faktor 40 unterboten.

Der Vorstoß in den Mikro- und Nanokosmos ist nicht nur ein Vordringen zu immer kleineren Strukturen, er ist auch mit dem Vordringen zu immer kürzeren Zeitskalen verknüpft. Ein geeignetes Mittel zur Erforschung von zeitlichen Abläufen auf Molekül- und Atom-Ebene sind ultrakurze Laserpulse. Diese Lichtblitze mit einer Dauer im Bereich von wenigen Billiardstel-Sekunden ermöglichen z. B. das Filmen und die gezielte Manipulation chemischer Reaktionen sowie die Herstellung maßgeschneiderter Moleküle.

Forscher der Universität Kassel arbeiten erfolgreich auf dem Gebiet, solche Laserblitze speziell für ein bestimmtes Experiment zu designen, d.h. die Form und Eigenschaften der Lichtpulse an die jeweiligen experimentellen Anforderungen gezielt anzupassen. Kürzlich ist es den Physikern Jens Köhler, Matthias Wollenhaupt, Tim Bayer, Cristian Sarpe und Thomas Baumert gelungen, eine zeitliche Präzision bei der Erzeugung solch maßgeschneiderter Laserpulse von 300 Zeptosekunden, das sind 0,000 000 000 000 000 000 3 Sekunden, zu realisieren. Dies stellt einen Vorstoß in völlig neue Zeitbereiche dar und bedeutet einen neuen Rekord bzgl. des kürzesten jemals von Menschen aktiv beherrschten Zeitintervalls. Ein Gefühl für die Kürze dieses Zeitintervalls bekommt man, wenn man sich vor Augen führt, welche Strecke das Licht innerhalb dieser Zeit zurücklegt. In 300 Zeptosekunden durchläuft das Licht eine Strecke, die ungefähr dem Durchmesser eines Wasserstoff-Atoms entspricht, wohingegen es in einer Sekunde in etwa die Strecke von der Erde zum Mond zurücklegt.

Die Kasseler Wissenschaftler haben diese intensiven, maßgeschneiderten Laserpulse aber nicht nur höchstpräzise erzeugt, sondern auch bereits erfolgreich in einem Experiment eingesetzt. Energiezustände in einem aus Laserlicht und Atomen gebildeten System konnten aktiv manipuliert und ein Hin- und Herschalten zwischen diesen Zuständen mit einer zeitlichen Genauigkeit von weniger als 10 Trillionstel-Sekunden demonstriert werden.

Mittels der in den durchgeführten Experimenten realisierten Präzision könnte in Zukunft ein Zugang zur Beobachtung und Kontrolle von noch schnelleren als den hier beschriebenen Prozessen auf atomarer Ebene gegeben sein. Die Arbeit der Kasseler Physiker ist kürzlich unter dem Titel „Zeptosecond Precision Pulse Shaping“ in der renommierten Fachzeitschrift Optics Express, 19(12), 11638-11653 (2011) erschienen.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Eine Anstandsdame für den „Wächter des Genoms“

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Pressemitteilung der TU München vom 04.09.2011

Interaktion zwischen Tumorsuppressor-Protein und Chaperon aufgeklärt:

Das Protein p53 spielt eine essentielle Rolle in der Krebsentstehung. Es verhindert, dass aus einer gesunden Zelle eine Krebszelle wird, indem es bei Schädigungen des Erbguts den kontrollierten Zelltod einleitet. Das Hitzeschockprotein Hsp90 wiederum aktiviert und stabilisiert p53. Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) aufgeklärt, wo und mit welchen Mechanismen die beiden Proteine interagieren. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Structural and Molecular Biology.

In jeder Zelle gibt es Tausende von Proteinen, deren Aktivität und Lebensdauer reguliert werden müssen, um den Lebenszyklus der Zelle von der Zellteilung bis zum Zelltod zu steuern. Das Hitzeschockprotein Hsp90 spielt hierbei eine zentrale Rolle. Es ist ein sogenanntes „Chaperon“, eine Art „Anstandsdame“ oder „Qualitätskontrolleur“. Es prüft und steuert die Qualität und Aktivität einer Vielzahl wichtiger Signalproteine und hilft ihnen, die richtige Gestalt anzunehmen. Wenn die Zelle durch Hitze oder Sauerstoffmangel hohem Stress ausgesetzt ist, wird es vermehrt hergestellt, um eine Schädigung der Partnerproteine zu verhindern.

Eines der wichtigsten Partnerproteine von Hsp90 ist das Tumorsuppressor-Protein p53. Es verhindert an mehreren Stellen der Zelle die Krebsentstehung und wird daher auch als „Wächter des Genoms“ bezeichnet. Bei DNA Schäden sorgt p53 dafür, dass die Zelle sich nicht mehr teilt und aktiviert Reparaturmechanismen. Reichern sich zu viele Erbgutschäden an, leitet das Protein den kontrollierten „Selbstmord“ der Zelle ein. Ist p53 inaktiv, teilt die Zelle sich trotz Schäden weiter – ein Tumor entsteht. Bei mehr als der Hälfte aller Tumore ist das p53 Protein geschädigt oder inaktiviert, kann also die Kontrollfunktion nicht mehr ausüben.

Hsp90 wiederum bindet an p53 und hält es in einem funktionalen Zustand bis es seine eigentliche Funktion, nämlich die Bindung an bestimmte Elemente der DNA, erfüllen kann. Wie und wo die Bindung von p53 an Hsp90 dabei genau erfolgt, war bisher jedoch unklar und strukturell nicht charakterisiert.

Am Department Chemie der TU München gelang es nun einem Team von Biochemikern um Professor Horst Kessler, in Kooperation mit der Gruppe von Professor Johannes Buchner, Inhaber des Lehrstuhls für Biotechnologie, die Details der Bindung von p53 an Hsp90 aufzuklären. Horst Kessler war von 1989 bis 2008 Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie und Biochemie der TU München, und ist seit Oktober 2008 Carl-von-Linde-Professor am Institute for Advanced Study der TU München (TUM-IAS).

Mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) konnten die Wissenschaftler am Bayerischen NMR-Zentrum in Garching zum ersten Mal die Interaktionsflächen zwischen Hsp90 und p53 charakterisieren und zeigen, dass p53 in einer bereits strukturierten Form an Hsp90 bindet. Dadurch wird p53 in einem funktionalen Zustand gehalten bis diese Interaktion durch seinen eigentlichen Bindungspartner DNA aufgelöst wird. Um p53 im richtigen Zustand zu halten, müssen dabei mehrere Interaktionsflächen an verschiedenen Stellen des Hsp90 Proteins in fein abgestimmter Weise zusammen wirken.

Bei der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie wird eine Probe aus gelösten Proteinen in ein extrem starkes homogenes Magnetfeld gebracht und mit komplizierten Folgen von Radiofrequenzimpulsen bestrahlt. Die Atomkerne im Protein reagieren darauf mit einer charakteristischen Antwortfrequenz, die von der Umgebung des jeweiligen Kerns abhängt und von den Wissenschaftlern gemessen werden kann. „Jeder einzelne angeregte Kern zeigt dabei eine eigene Frequenz“, erklärt Kessler. „Auf diese Weise können wir feststellen in welcher Beziehung die einzelnen Kerne zueinander stehen und so auf die Struktur des Proteins schließen.“ Bindet p53 an Hsp90 ändern sich die Antwortfrequenzen an bestimmten Stellen des Proteins. An Hand dieser Änderungen können die Wissenschaftler sehen, an welche Stellen von Hsp90 das p53 Protein bindet.

Die neuen Erkenntnisse über die Interaktionsflächen zwischen Hsp90 und p53 haben eine große Bedeutung für die Entwicklung neuer Krebsmedikamente. Denn Hsp90 stabilisiert nicht nur intaktes p53 sondern vor allem auch mutierte Versionen des Proteins. Dies führt zu einer negativen Wirkung des Chaperons. Der Grund: Das durch Hsp90 aufrecht erhaltene defekte p53 bindet seinerseits an aktives p53 und inaktiviert es – ein Tumor kann entstehen. Medikamente, die an den gefundenen Stellen angreifen, könnten in Zukunft verhindern, dass Hsp90 an defektes p53 in Krebszellen binden und stabilisieren kann. „Viele der in Tumoren veränderten p53 Varianten sind weniger stabil als intaktes p53 und benötigen daher Hsp90 umso mehr“, erklärt Franz Hagn, Erstautor der Studie. „Hemmt man diese Interaktion, wird vor allem das mutierte p53 entsorgt. Dadurch kann das intakte p53 seine Funktion noch erfüllen, geschädigte Zellen beseitigen und den Krebs verhindern.“

In ihrer Studie stellten Kessler, Buchner und ihr Team fest, dass p53 nicht nur wie bislang vermutet an die mittlere Domäne von Hsp90, sondern ebenfalls mit hoher Affinität an einen Bereich der C-terminalen Domäne des Proteins bindet. Verantwortlich für die Stabilität dieser Bindung sind dabei an beiden Bindungsstellen von Hsp90 negativ geladene Aminosäuren. „Diese Stellen ähneln der DNA, deren Phosphatrückrat ebenfalls negativ geladen ist“, erklärt Kessler. „Hsp90 ahmt also den eigentlichen Partner von p53 nach. So wird der Komplex aus beiden Proteinen zusammen gehalten.“ Dabei bleibt p53 in seinem Ursprungszustand erhalten und kann weiterhin an DNA binden.

Die Arbeit wurde unterstützt durch das TUM Institute for Advanced Study, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 594), den Exzellenzcluster Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM), das Elitenetzwerk Bayern, den Fonds der Chemischen Industrie sowie der European Molecular Biology Organization.

Originalpublikation:
Structural analysis of the interaction between Hsp90 and the tumor suppressor protein p53 Franz Hagn, Stephan Lagleder, Marco Retzlaff, Julia Rohrberg, Oliver Demmer, Klaus Richter, Johannes Buchner and Horst Kessler Nature Structural & Molecular Biology, DOI: 10.1038/nsmb.2114

Externer Link: www.tu-muenchen.de