Archiv für den Monat Januar 2012

Den Geist in der Flasche halten: Wie Fic-Proteine ihre potenziell tödliche Enzymaktivität regulieren

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 23.01.2012

Forschende des Biozentrums der Universität Basel haben einen über die gesamte biologische Evolution konservierten regulatorischen Mechanismus aufgeklärt, der die bisher weitgehend unerforschte Enzymfamilie der Fic-Proteine in einen inaktiven Grundzustand zwingt. Die Gruppen von Prof. Christoph Dehio und Prof. Tilman Schirmer konnten zeigen, dass durch die Veränderung einer einzigen Aminosäure diese Hemmung der Enzymaktivität aufgehoben wird. Die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature» publizierten Ergebnisse erlauben es zukünftig, die potenziell tödliche Funktion der Fic-Proteine in Bakterien und höheren Lebewesen aufzuklären.

Fic-Proteine kommen in den meisten Lebensformen vom einfachen Bakterium bis zum Menschen vor. Erst wenige Vertreter dieser Proteinfamilie mit etwa 3000 Mitgliedern wurden bisher untersucht. Es handelt sich dabei um Enzyme, die andere Proteine durch das Anheften einer Adenosinmonophosphat-Gruppe (AMP), Teil des wichtigen Energieträgers ATP, chemisch verändern. Diese als AMPylierung bezeichnete Reaktion modifiziert gezielt die Funktion der Zielproteine.

Am besten untersucht ist die Funktion der Fic-Proteine von krankheitserregenden Bakterien, die in die Wirtszelle eingeschleust werden, um dort zelluläre Signalproteine zum Vorteil des Krankheitserregers zu verändern. Die Mehrheit der Fic-Proteine entfaltet aber vermutlich ihre Wirkung unmittelbar in der Zelle, in der sie produziert werden. Warum aber bisher nur für wenige Vertreter dieser Fic-Proteine eine biochemische Funktion nachgewiesen werden konnte, war bisher unverstanden. Den Grund hierfür haben nun die Forschungsgruppen des Infektionsbiologen Prof. Christoph Dehio und des Strukturbiologen Prof. Tilman Schirmer gefunden.

Das Zentrum der Enzymaktivität von Fic-Proteinen ist blockiert

Die Forscher konnten zeigen, dass ein Aminosäurerest (Glutamat-Finger) in das aktive Zentrum von Fic-Proteinen hineinragt. Dieser verhindert eine produktive Bindung des ATP und erklärt den inaktiven Grundzustand dieser Enzyme. Erstaunlicherweise ist es dabei unerheblich, ob der hemmende Aminosäurerest Teil des Fic-Proteins selbst oder aber Teil eines separaten Proteins (genannt Antitoxin) ist. Erst wenn dieser Glutamat-Finger durch Veränderung des Erbguts zurechtgestutzt wird oder das ganze Antitoxin entfernt wird, erwacht die Aktivität des Enzyms – mit teilweise drastischen Konsequenzen für die betroffenen Zellen. So stellen bakterielle Zellen das Wachstum ein, während menschliche Zellen sogar sterben können.

Interdisziplinärer Forschungserfolg

Dieser Durchbruch gelang den beiden Forschungsgruppen durch die Kombination von Methoden aus der Mikrobiologie, Zellbiologie, Strukturbiologie und Bioinformatik. Atomare räumliche Strukturen von Fic-Proteinen wurden mittels Röntgenkristallografie durch die Schirmer-Gruppe an der Swiss Light Source (Villigen PSI) bestimmt und liessen die detaillierte Geometrie des aktiven Zentrums des Enzyms mit dem hemmenden Glutamat-Finger erkennen. Die Gruppe von Dehio wiederum konnte durch Kombination von Funktionsstudien und Mutagenese die hemmende Rolle dieses Glutamat-Fingers nachweisen und durch umfangreiche Proteinsequenzvergleiche die allgemeine Bedeutung der Entdeckung aufzeigen.

Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse sind nunmehr die meisten Vertreter der umfangreichen Fic-Proteinfamilie einer funktionellen Untersuchung zugänglich geworden. Weiterhin können Wissenschaftler mit diesem Wissen künftig detailliert den molekularen Mechanismus der Aktivierung von Fic-Proteinen unter natürlichen Bedingungen untersuchen.

Originalbeitrag:
Philipp Engel, Arnaud Goepfert, Frédéric V. Stanger, Alexander Harms, Alexander Schmidt, Tilman Schirmer & Christoph Dehio
Adenylylation control by intra- or intermolecular active-site obstruction in Fic proteins
Nature, published online 22 January 2012 | doi: 10.1038/nature10729

Externer Link: www.unibas.ch

Dreidimensional ohne 3D-Brille

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Presseaussendung der JKU Linz vom 23.01.2012

Informatiker der JKU Linz entwickeln Methode zur Bearbeitung von Lichtfeldern

Zweidimensionale digitale Bildaufnahmen könnten bald der Vergangenheit angehören. Zukünftig werden Bildinformationen in Form von Lichtfeldern aufgenommen und dargestellt. Damit werden die Abbildungen dreidimensional, Fokus und Perspektive lassen sich nachträglich verändern. Wissenschafter des Instituts für Computergrafik der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz haben nun ein revolutionäres Verfahren entwickelt, welches das Strecken und Stauchen von Lichtfeldern ermöglicht. Aufnahmen können so bequem auf eine beliebige Größe und ein gewünschtes Seitenverhältnis angepasst werden – ohne dass wichtige Inhalte unnatürlich verzerrt werden.

Wer mit einer herkömmlichen Digitalkamera fotografiert, erhält lediglich ein zweidimensionales Bild. Neuartige Lichtfeldkameras nutzen hingegen spezielle optische Elemente, wie z.B. Mikrolinsenfelder, um Richtungsinformationen des Lichtes zu erhalten – zu den zweidimensionalen Bildkoordinaten kommen dadurch zweidimensionale Richtungskoordinaten hinzu. Daraus entstehen vierdimensionalen Abbildungen, die man Lichtfelder nennt.

Dreidimensional ohne 3D-Brille

Der Vorteil von Lichtfeldern gegenüber herkömmlichen Bildern besteht darin, dass sie viel mehr Informationen enthalten. Daraus lassen sich zum Beispiel im Nachhinein Fokus und Perspektive einer Aufnahme am Computer ändern, oder Tiefeninformationen und Abbildungen mit sehr hoher Tiefenschärfe errechnen. Lichtfelder haben insgesamt das Potential, digitale Abbildungen zu revolutionieren. Das gilt nicht nur für bildgebende Systeme und die Verarbeitung digitaler Bildinformationen, sondern auch für Displaysysteme. Für zukünftige Displaytechnologien ermöglichen Lichtfelder die Darstellung dreidimensionaler Inhalte für beliebig viele Betrachter und ohne Hilfsmittel wie 3D-Brillen.

Lichtfeldaufnahmen lösen digitale Bildaufnahmen ab

Aber besonders in der Fotografie bedeuten moderne Lichtfeldkameras einen klaren Entwicklungssprung. Digitale Bildaufnahmen könnten bald von Lichtfeldaufnahmen abgelöst werden. Eine zentrale Herausforderung liegt hier aber noch in der Verarbeitung: Lichtfelder sollten genauso digital nachbearbeitet werden können, wie es heute für zweidimensionale Abbildungen, also für Bilder und Videos, möglich ist. Dort werden die Abbildungen in dem Seitenverhältnis der Kamera aufgenommen und später auf verschiedenen Displays mit dementsprechend unterschiedlichen Seitenverhältnissen dargestellt. Die Bildinhalte sollten dabei so auf die neuen Seitenverhältnisse angepasst werden, dass kein Bildinhalt abgeschnitten oder unnatürlich gestreckt bzw. gestaucht wird. Algorithmen, die diese Skalierung in Abhängigkeit des eigentlichen Bildinhaltes durchführen nennt man Retargeting. Diese aus der digitalen Bildverarbeitung und der Digitalfotografie bekannte Technik kann aber oft nicht ohne weiteres auf Lichtfelder angewendet werden.

Methode zur Bearbeitung von Lichtfeldern

Hier schaffen die Wissenschafter am Institut für Computergrafik der JKU unter der Leitung von Prof. Oliver Bimber Abhilfe: Sie haben Softwarealgorithmen entwickelt, die es ermöglichen, Lichtfelder entsprechend zu analysieren und zu bearbeiten. Zur im Mai 2012 stattfindenden Fachtagung Eurographics (Cagliari, Italien) und im internationalen Journal Computer Graphics Forum präsentieren sie erstmals ein Verfahren, welches das nichtlineare Strecken und Stauchen von Lichtfeldern ermöglicht. Dabei können Aufnahmen aus einer Lichtfeldkamera bequem auf eine beliebige Größe und ein gewünschtes Seitenverhältnis angepasst werden – ohne dass wichtige Inhalte unnatürlich verzerrt werden. Die JKU-Forscher stellen damit das weltweit erste Retargetingverfahren für Lichtfelder vor. (Manfred Rathmoser)

Externer Link: www.jku.at

Quantenphysik macht sicheres Cloud Computing möglich

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Pressemeldung der Universität Wien vom 19.01.2012

Quantencomputer mit Quantenkryptographie vereinigen ForscherInnen des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Sie zeigen in der aktuellen Ausgabe von “Science”, dass Quanteneffekte absolut sicheres Cloud Computing ermöglichen. In einem Experiment gelang es, einen Quantencomputer so zu konstruieren, dass alle Ergebnisse der Daten und Rechnungen dem Computer selbst verborgen blieben.

Quantencomputer haben gegenüber klassischen Computern einen bedeutenden Vorteil: schnellere Rechnungen, die auf Quanteneffekten beruhen. Aufgrund Ihrer Komplexität existieren sie bisher nur als Grundlagenexperimente wie im Labor der Fakultät für Physik der Universität Wien. Daher ist es naheliegend, dass diese Technik zukünftig zunächst nur in wenigen spezialisierten Rechenzentren zur Verfügung stehen wird – ähnlich wie bei heutigen Großrechnern.

Auslagerung in die “Rechnerwolke”

Diese Strategie folgt dem aktuellen Trend des Cloud Computing, bei dem IT-Leistungen werden in die “Rechnerwolke” ausgelagert werden. Nutzer könnten von außerhalb Anfragen an einen Quantencomputer stellen und Quantenrechnungen durchführen. Das neue Cloud Computing hat gegenüber derzeitigen Lösungen einen entscheidenden Vorteil, der nur durch Quanteneffekte erreicht werden kann: Es ist absolut sicher.

Code oder Telefonbuch?

Wiener ForscherInnen haben in Kooperation mit internationalen Forschungsinstituten erstmals diese absolute Sicherheit der Daten in einem Grundlagenexperiment realisiert. Dabei führt ein Quantencomputer Rechnungen durch, kann aber selbst nicht herausfinden, welche es sind. “Der Quantenrechner kann beispielsweise nicht unterscheiden, ob er gerade einen Code entschlüsselt, oder einen Eintrag in einem Telefonbuch sucht”, erklärt Stefanie Barz, Hauptautorin der soeben in “Science” veröffentlichten Studie.

“Blind” errechnet

Dies könnte in Zukunft folgendermaßen funktionieren: Ein Nutzer präpariert Qubits – die kleinsten Einheiten des Quantencomputers – in einem nur ihm bekannten Zustand und sendet diese zum Quantencomputer. Dieser verschränkt die Qubits nach einem bestimmten Schema. Die Quantenrechnungen werden nun durch Messungen realisiert. Dazu schickt der Nutzer verschiedene Messanweisungen an den Quantencomputer.

Diese Anweisungen sind an den Zustand der Qubits angepasst und ergeben nur einen Sinn, wenn auch der Zustand der Qubits bekannt ist. Da der Quantencomputer diesen jedoch nicht kennt, sind für ihn die Rechnungen eine unzusammenhängende Abfolge an Operationen. Daher kann er zu keinem Zeitpunkt Rückschlüsse ziehen, welche Rechnung er gerade durchführt – er rechnet “blind”. Am Ende der Rechnung werden Ergebnisse an den Nutzer zurückgesendet. “Der Nutzer kann als einziger die Ergebnisse interpretieren und nutzen, da nur er die Ausgangszustände der Qubits kennt”, erklärt Barz.

Beim Wiener Experiment wurden einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Qubits verwendet. Deren Polarisation, die Schwingungsebene des Lichts, ist die Grundlage für das photonische Qubit, und Photonen sind perfekt geeignet, weil sie ideale Informationsträger sind und über weite Distanzen gesendet werden können.
 
Internationale Forschungskooperation

Das Projekt ist eine internationale Koperation von ForscherInnen des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien, des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der University of Edinburgh, des Institute for Quantum Computing (University of Waterloo), des Centre for Quantum Technologies (National University of Singapore) und dem University College Dublin.

Publikation:
Demonstration of Blind Quantum Computing. Stefanie Barz, Elham Kashefi, Anne Broadbent, Joseph Fitzsimons, Anton Zeilinger, Philip Walther
DOI: 10.1126/science.1214707

Externer Link: www.univie.ac.at

Navigation für Elektrorollstühle

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Pressemitteilung der RWTH Aachen vom 12.01.2012

Oft reicht der Akku seines Rollstuhls nicht für die Fahrt zur Hochschule und wieder zurück nach Hause. Dzenan Dzafic studiert Informatik an der RWTH. Er nutzte sein hier erworbenes Wissen und entwickelte ein mobiles Navigationssystem für Elektrorollstühle: „Fahrzeuge mit Elektromotoren sind in ihrem Bewegungsraum durch die Akku-Kapazität und den Stromverbrauch eingeschränkt. Der Stromverbrauch ist stark abhängig von der Steigung und dem Straßenbelag. Je größer die zu bewältigende Steigung und je unebener der Belag ist, desto schneller sinkt der Akkustand“, erklärt Dzafic. Zusammen mit Diplom-Informatiker Dominik Franke, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Informatik 11 (Software für eingebettete System), entwickelte er einen Algorithmus auf Basis von Daten aus der OpenStreetMap, kurz OSM. Sie gingen dabei davon aus, dass ein kurzer Weg nicht immer effizient sein muss: „Auch wenn ich laut Plan schneller an einem Ort sein könnte, kann ich wegen vieler Steigungen auf halber Strecke nicht mehr weiterkommen“, berichtet Dzafic. Mit Hilfe der neuen Daten soll der Energieverbrauch einer Route angezeigt und damit die Reichweite des Fahrzeugs maximiert werden.

Noch gibt es wenige Systeme, die den Akkustand zu Beginn der Route, die Steigung des Streckenverlaufs und mögliche Ladestationen für Elektrofahrzeuge berücksichtigen. Die frei verfügbare Weltkarte OSM war Ausgangspunkt für den am RWTH-Lehrstuhl unter Leitung von Professor Dr.-Ing. Stefan Kowalewski entwickelten Rollstuhl-Routenplaner. Durch die freie und kostenlose Nutzbarkeit bietet OSM den Vorteil, dass die Benutzer Informationen in die Karte eingeben können. „Hier sind bereits mehrere Teile Deutschlands erfasst“, so Franke. „In Aachen basieren die Daten auf meinen Erfahrungswerten“, ergänzt Dzafic.

Um die Akku-Kapazität eines Rollstuhls zu bestimmen, umfuhr der 29-Jährige mit speziellen Sensoren am Rollstuhl immer wieder den Sportplatz des Hochschulsportzentrums. „Die Strecke ist besonders ebenmäßig und eignete sich daher gut für die Messungen. Es dauerte vier Stunden, bis der Akku leer war“, berichtet Dzafic. Danach testeten die beiden Informatiker verschiedene Steigungen in Aachen, die maximale Bordsteinhöhe, die Straßenbeschaffenheit und das Gefälle wurden ebenfalls berücksichtigt. Mit Hilfe dieser Messungen und den Daten aus OSM berechneten sie eine effiziente und eine kurze Route. Dem Nutzer werden künftig beide Wege sowie der Energieverbrauch angezeigt. „Unser Routenplaner kann bei einer Strecke von 300 Metern bis zu 20 Prozent der Energie einsparen“, so Franke.

In Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster UMIC (Ultra high-speed Mobile Information and Communication) Research Centre der RWTH und der Universität Heidelberg konnte der Algorithmus in den Webservice www.rollstuhlrouting.de integriert und zusätzlich um den mobilen Client AndNav für die Plattform Android erweitert werden. Somit ist die Route auch per Mobiltelefon abrufbar. Mit seiner Anwendung hat Dzafic dabei nicht nur großes Interesse bei Betroffenen geweckt, auch viele Wissenschaftler nahmen Kontakt auf. Das Projekt soll nun auf verschiedene Formen der Elektromobilität ausgedehnt werden. (Celina Begolli)

Externer Link: www.rwth-aachen.de

Weniger Tierversuche durch Nanosensoren

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.01.2012

Experimente an Tieren sind seit Jahrzehnten in der Kritik. Eine Trendwende ist dennoch nicht in Sicht. Die Zahl der Tests mit Labortieren stieg sogar. Forscher haben jetzt eine neue Alternative gefunden: Mit Hilfe von Sensor-Nanopartikeln wollen sie die Anzahl der Versuche reduzieren.

Unzählige Mäuse, Ratten und Kaninchen sterben jährlich für die Wissenschaft – Tendenz steigend. Verwendeten deutsche Labors im Jahr 2005 noch etwa 2,41 Millionen Tiere für Forschungszwecke, so waren es 2009 bereits 2,79 Millionen. Ein Drittel diente der biologischen Grundlagenforschung, ein Großteil davon wurde für die Erforschung von Krankheiten und für die Entwicklung medizinischer Produkte und Geräte benötigt. Die Menschen fordern zwar sichere Medikamente und verträgliche Therapien, doch Tierversuche will kaum jemand in Kauf nehmen. Wissenschaftler suchen daher seit Jahren nach Ersatzmethoden. Eine Alternative haben jetzt die Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München gefunden: Mit neuartigen Nanosensoren wollen sie die Anzahl der Tierexperimente verringern. »Wir testen Chemikalien quasi im Reagenzglas auf ihre Wirksamkeit und ihr Risikopotenzial. Hierfür setzen wir lebende Zellen, die aus menschlichem und tierischem Gewebe isoliert und in Zellkulturen gezüchtet wurden, der zu untersuchenden Substanz aus«, erläutert Dr. Jennifer Schmidt vom EMFT. Ist der Wirkstoff in einer bestimmten Konzentration giftig für die Zelle, stirbt sie. Diese Änderung des »Wohlbefindens« können Dr. Schmidt und ihr Team mit ihren Sensor-Nanopartikeln sichtbar machen.

Gesunde Zellen speichern ihre Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Je mehr ATP vorhanden ist, desto aktiver ist die kleinste lebende Einheit. Wird diese stark geschädigt, verringert sie schlussendlich ihre Stoffwechselaktivität, speichert weniger Energie und produziert infolgedessen auch weniger ATP. »Mit unseren Nanosensoren können wir das Adenosintriphosphat detektieren und feststellen, in welchem Gesundheitszustand sich Zellen befinden. Dies wiederum lässt Rückschlüsse auf den zellschädigenden Einfluss von Medikamenten oder Chemikalien zu«, sagt Dr. Schmidt.

Damit die Nanopartikel das ATP erkennen, statten die Forscher sie mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen aus: einem grünen Indikatorfarbstoff, der sensibel auf ATP reagiert, und einem roten Referenzfarbstoff, dessen Farbe sich nicht verändert. Im nächsten Schritt schleusen die Wissenschaftler die Partikel in die lebenden Zellen ein und beobachten sie unter dem Fluoreszenzmikroskop. In Abhängigkeit der Menge des vorhandenen ATPs leuchten die Partikel unterschiedlich stark – je gelber das Signal im Überlagerungsbild erscheint, desto aktiver ist die Zelle. Wäre diese in einem schlechten Zustand, würde das Überlagerungsbild deutlich röter ausfallen. »Werden beispielsweise Krebszellen verwendet, lässt sich zukünftig die Wirksamkeit neu entwickelter Chemotherapeutika testen. Detektieren wir mit den Nanosensoren eine geringe ATP-Konzentration in den Zellen, wissen wir, dass das neue Medikament die Tumorzellen in ihrem Wachstum hemmt oder gar abtötet«, so die Forscherin. »Die vielversprechendsten Medikamente können dann weiter untersucht werden.«

Die Nanopartikel der EMFT-Forscher genügen hohen Ansprüchen: Sie sind nicht giftig für Zellen, passieren problemlos die Zellmembran und lassen sich sogar gezielt dorthin transportieren, wo die Testsubstanz detektiert werden soll. Doch bevor das Verfahren angewendet werden kann, müssen die Zulassungsbehörden es anerkennen – ein langer Weg durch die Genehmigungsinstanzen steht den Experten vom EMFT bevor. Das hält die Forscher nicht davon ab, die Technologie inzwischen weiterzuentwickeln und flexibel einzusetzen: beispielsweise, um die Qualität und Genießbarkeit von verpacktem Fleisch zu ermitteln. Hierfür haben sie Nanosensoren entwickelt, die die Konzentration von Sauerstoff und toxischen Aminen bestimmen können.

Externer Link: www.fraunhofer.de