Archiv des Monats: April 2012

Mikro-Helikopter werden flügge

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 23.04.2012

ETH-Forschende haben im Rahmen des EU-Projektes „sFly“ eine neue Art von Flugrobotern entwickelt, die nur mit Bordkameras und einem Mini-Computer bestückt, navigieren können. Die Mikro-Helikopter kommen ohne GPS und Fernsteuerung aus und erreichen somit eine neue Stufe von Autonomie.

Weltweit wird geforscht und getüftelt, um Mikro-Helikopter – so genannte Micro Aerial Vehicles (MAV) – laufend weiter zu entwickeln und zu verbessern. Von der Eleganz eines Vogels im Flug ist man mit den bisherigen Lösungen allerdings noch weit entfernt. Die heutigen Flugroboter sind gross und schwer und sind im Einsatz im freien Feld oft abhängig von GPS oder von einem trainierten Piloten. Das 2009 gestartete EU-Projekt „sFly“ hatte sich deshalb zum Ziel gesetzt, Flugroboter zu entwickeln, die einige dieser Fesseln sprengen würden. Inzwischen sind die Entwicklungsarbeiten abgeschlossen und die Flugroboter haben ihre Feuertaufe im freien Feld bestanden.

Kameras zur Navigation und Kartierung

Eine Innovation der Flugroboter besteht darin, dass die Geräte mithilfe von Kameras und einem Mini-Computer an Bord in der Lage sind, ihren Flug zu stabilisieren und sich zu orientieren, ohne für die Navigation auf eine Verbindung zur Bodenstation angewiesen zu sein. Konkret werden die Flugbewegungen des Helikopters in Echtzeit aus den Kamerabildern berechnet und von einer Flugsteuereinheit mit den Sollwerten verglichen und bei Abweichungen korrigiert.

Diese Technologie, entwickelt am Labor für Autonome Systeme der ETH Zürich, hat zwei gewichtige Vorteile gegenüber GPS-basierten Flugrobotern. Zum einen funktionieren sie sowohl im Freien wie auch in geschlossenen Räumen. Zum andern können die Flugroboter auch dann noch navigieren, wenn das GPS z.B. wegen zu dichten Bauten seinen Dienst versagt. Die kamera-basierte Technologie erlaubt erst noch eine viel genauere Positionierung der Fluggeräte, als es mit GPS möglich ist, sagt Projektkoordinator Davide Scaramuzza. Je nach Umgebung könne der GPS-Fehler bei 70 m liegen – viel zu ungenau, wenn mehrere Flugroboter nahe aneinander fliegen.

Während eine von insgesamt drei Bord-Kameras der Flugsteuerung dient, werden die zwei andern Kameras der Mikro-Helikopter für die 3-D-Modellierung verwendet. Der Bord-Computer übermittelt die aufgenommenen Bilder über WLAN an einen Computer am Boden, der dann daraus eine 3-D-Karte des überflogenen Geländes erstellt. Einerseits zeigt die 3-D-Karte Hindernisse für die Flugroboter auf, andererseits können damit z.B. bestmögliche Positionen zur lückenlosen Geländeüberwachung berechnet werden. Die Technologie der 3-D-Modellierung stammt vom Institut für Visual Computing der ETH Zürich.

Prädestiniert für den Katastropheneinsatz

Eine Schwachstelle herkömmlicher Bauweisen von Flugrobotern betrifft ihr Gewicht und ihren Energiehunger. Eines der Ziele von „sFly“ war denn auch, effizientere Algorithmen zu entwickeln, die weniger Rechenleistung benötigen, aber auch die Rechenleistung auf flugfähigen Geräten erhöhen. In Zusammenarbeit mit der auf Flugroboter spezialisierten Firma Ascending Technologies in München entstand schliesslich ein Flugroboter mit sechs Rotoren und einem Gewicht von 1500 Gramm, inklusive 3 Bordkameras und einem Mini-Computer.

Die neuen Mikro-Helikopter haben einen Durchmesser von rund 50 Zentimetern. Sie sind dafür geschaffen, auch in engen oder gar geschlossenen Räumen zu manövrieren und allfällige Hindernisse zu erkennen und zu umfliegen. Anwendungen ergäben sich bei Schutz- und Rettungseinsätzen, wenn es zum Beispiel darum geht, ein Katastrophengebiet zu überfliegen und ein Bild von der Situation aus der Luft zu liefern oder auch mögliche Opfer zu orten. «Es handelt sich hier um ein Forschungsprojekt, das vor allem die technischen Möglichkeiten ausloten möchte. Wir stellen uns aber vor, dass die Flugroboter, die im „sFly“-Projekt entwickelt wurden, in einer nicht allzu fernen Zukunft eine wichtige Hilfe sein könnten für Rettungskräfte im Katastropheneinsatz», so Roland Siegwart, Leiter des Labors für Autonome Systeme.

Das europäische Projekt „sFly“ umfasst Partner aus Deutschland, Griechenland, Frankreich und der Schweiz. Neben zwei ETH-Forschungsgruppen ist auch das Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) in Neuenburg beteiligt.

Externer Link: www.ethz.ch

Xenotransplantation bei Diabetes

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Presseinformation der LMU München vom 23.04.2012

Schweinezellen bewähren sich im Tiermodell

Diabetes ist ein Sammelbegriff für schwere Störungen des Zuckerhaushalts. Bei einem Typ-1-Diabetes etwa zerstört der Körper selbst die Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse, die das Insulin produzieren. Ohne dieses Hormon kann der Blutzuckerspiegel nicht mehr kontrolliert werden. Die Betroffenen – in Deutschland allein sind es rund 250.000 – sind auf eine lebenslange strikte Insulintherapie angewiesen. Nur die Transplantation einer Bauchspeicheldrüse oder von Beta-Zellen bietet die Chance auf Heilung. Weil Spenderorgane rar sind, setzen viele Forscher auf eine Xenotransplantation, also die Verpflanzung tierischen Gewebes – das aber im menschlichen Körper abgestoßen wird. Ein Team um die LMU-Forscher Professor Eckhard Wolf und Professor Jochen Seißler hat nun in Schweinen genetisch modifizierte Beta-Zellen erzeugt, die die menschliche Körperabwehr hemmen und den Blutzuckerspiegel regulieren können – wenn auch vorerst nur im diabetischen Tiermodell. „Ob dies auch im menschlichen Organismus gelingt, wissen wir noch nicht“, sagt Wolf. „Trotzdem halten wir den Ansatz für sehr vielversprechend und werden ihn nun in weiteren Modellen testen.“

Ein Typ-1-Diabetes tritt meist in jungen Jahren auf und beruht oft auf einer Autoimmunreaktion, die letztlich die Insulin-produzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse zerstört. Das fehlende Hormon müssen sich die Patienten bei Bedarf zuführen, wobei es auch bei strenger Einhaltung aller diätischen und therapeutischen Vorgaben zu einem schweren und potenziell lebensbedrohlichen Unterzucker kommen kann.

Für viele Betroffene wäre deshalb die Transplantation einer Bauchspeicheldrüse oder der Insulin-produzierenden Beta-Zellen die beste Option. Doch auf etwa eine Viertelmillion Patienten in Deutschland kamen im Verlauf der letzten Jahre weniger als 200 Transplantationen, vor allem weil Spenderorgane so rar sind. „Das Schwein ist ein möglicher alternativer Spenderorganismus, weil sein Zuckerstoffwechsel dem des Menschen sehr ähnlich ist“, sagt Seißler.

Das Insulin des Schweines unterscheidet sich von dem humanen Hormon sogar nur in einem Baustein und wurde über Jahrzehnte in der Diabetestherapie eingesetzt. Doch Schweinezellen werden nach der Transplantation vom menschlichen Organismus schnell als Fremdgewebe erkannt und zerstört. Die Verkapselung des Gewebes in biologisch inertes Material, das Insulin durchlässt, aber Immunzellen abhält, ist eine mögliche Gegenmaßnahme. Die Lebensdauer der Zellen ist aber wegen ihrer chronischen Unterversorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen verkürzt.

Das Team um Wolf wählte daher einen anderen Weg und generierte genetisch veränderte Spenderschweine, deren Beta-Zellen das Molekül LEA29Y bilden, das die Aktivierung bestimmter Abwehrzellen hemmt. Mit Erfolg: Im diabetischen Mausmodell – mit humanem Immunsystem – wurden die Schweinezellen nicht abgestoßen und normalisierten zudem den Blutzucker der Mäuse, wie das Team um Seißler zeigte. „Wir wissen nicht, ob dies auch im menschlichen Organismus erfolgreich wäre“, betont Wolf. „Allerdings werden wir den vielversprechenden Ansatz mit immunmodulierenden Beta-Zellen nun in anderen Transplantationsmodellen validieren.“ (suwe)

Publikation:
„Xenografted Islet Cell Clusters From INSLEA29Y Transgenic Pigs Rescue Diabetes and Prevent Immune Rejection in Humanized Mice“
Nikolai Klymiuk, Lelia van Buerck, Andrea Bahr, Monika Offers, Barbara Kessler, Annegret Wuensch, Mayuko Kurome, Michael Thormann, Katharina Lochner, Hiroshi Nagashima, Nadja Herbach, Rudiger Wanke, Jochen Seissler, and Eckhard Wolf 
Diabetes online, 20. April 2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Lipide helfen, unser Immunsystem zu entwickeln

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 23.04.2012

Forschende der Universität Basel haben im Thymus Antigene gefunden, die für die Reifung Lipid-spezifischer T-Zellen verantwortlich sind. Die von der Gruppe um Prof. Gennaro De Libero identifizierten Lipidmoleküle beinhalten Etherbindungen, die von einem peroxisomalen Enzym erzeugt werden. Erstmals wird damit eine direkte Verbindung von Peroxisomen mit dem Immunsystem beschrieben. Die Publikation ist als elektronische Vorabversion auf der Website von «Nature Immunology» veröffentlicht.

Das Immunsystem schützt unseren Körper nicht nur vor natürlich vorkommenden Krankheitserregern wie Viren, Bakterien, Pilzen und Parasiten, sondern spielt auch bei der Abwehr von körpereigenen Tumoren eine bedeutende Rolle. Im Fokus der Forschung zur immunologischen Tumorabwehr und Autoimmunität liegen gegenwärtig die Natürlichen Killer T-Zellen (NKT-Zellen). Diese gehören zu den T-Lymphozyten, und zusammen mit den B-Lymphozyten stellen sie die erworbene oder adaptive Immunantwort.

Gebildet werden sie alle im Knochenmark, wobei einzig die T-Zellen – daher ihr Name – im Thymus ausreifen. Während die B-Zellen Antikörper gegen freie Antigene bilden, erkennen T-Zellen diese erst, wenn sie von Antigen-präsentierenden Zellen quasi auf dem Tablett serviert werden. Konventionelle T-Zellen wiederum erkennen dabei Peptid-spezifische Antigene während NKT-Zellen anstelle von Peptiden nur Lipide erkennen.

Essentielle Etherbindungen

Forscher aus der Gruppe von Prof. Gennaro De Libero vom Departement Biomedizin der Universität Basel fanden nun heraus, dass NKT-Zellen im Thymus durch Lipidmoleküle aktiviert werden, die eine Etherbindung aufweisen. Dass die aus Thymuszellen isolierten Lipide zur Entwicklung von NKT-Zellen beitragen, konnten die Forscher zeigen, indem sie in Mäusen das Enzym GNPAT gezielt abschalteten. GNPAT kommt in den Peroxisomen – den Entgiftungswerken der Zellen – vor und ist für die Etherbindungen in Lipiden zuständig. Die NKT-Zellen entwickelten sich in der Folge abnormal.

Andrerseits vermochten synthetisch hergestellte Lipidanaloge die aus Mäusen isolierten NKT-Zellen zu stimulieren. Diese Beobachtungen unterstreichen die Wichtigkeit dieser Lipide in der Entwicklung und Aktivierung von NKT-Zellen. Dass diese Lipide mit Etherbindungen auch fähig sind, menschliche NKT-Zellen zu aktivieren, legt nahe, dass die Funktion dieser Lipide nicht auf Mäuse limitiert ist. Damit besteht Hoffnung, die gewonnen Erkenntnisse einmal in die Therapie Lipid-spezifischer Immunität in Krankheiten und in die Entwicklung neuartiger Impfstoffe einfliessen zu lassen.

Peroxisomen erscheinen in neuem Licht

Die in Basel erzielten Forschungsergebnisse ordnen auch Peroxisomen eine neue Funktion zu. Diese intrazellulären Organellen leisten einen wichtigen Anteil am Lipidstoffwechsel und waren bis anhin nie mit der Entwicklung von T-Zellen in Verbindung gebracht worden. Die Arbeit von Facciotti et al. zeigt nun erstmals eine direkte Verbindung zwischen Peroxisomen und der Biologie des Immunsystems auf. Die Dokumentation dieses Zusammenspiels stellt einen bedeutenden Fortschritt sowohl in der Immunologie als auch in der Zellbiologie dar.

Originalbeitrag:
Facciotti F, Ramanjaneyulu GS, Lepore M, Sansano S, Cavallari M, Kistowska M, Forss-Petter S, Ni G, Colone A, Singhal A, Berger J, Xia C, Mori L, De Libero G.
Peroxisome-derived lipids are self antigens that stimulate invariant natural killer T cells in the thymus
Nat Immunol, 2012 Mar 18. | doi: 10.1038/ni.2245

Externer Link: www.unibas.ch

Die Natur als Vorbild

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 18.04.2012

Neues Verfahren zur chemischen Synthese mit sichtbarem Licht

Die Natur macht es uns ständig vor: Bei der biologischen Photosynthese gelingt der Aufbau von vielschichtigen biologischen Molekülen durch die Nutzung von sichtbarem Licht. Forscherinnen und Forscher auf der ganzen Welt haben in den vergangenen Jahren versucht, diesen erstaunlichen Vorgang mit Hilfe von technischen Verfahren zu imitieren. Regensburger Wissenschaftler des Graduiertenkollegs „Chemische Photokatalyse“ konnten in diesem Zusammenhang einen wichtigen Schritt nach vorne machen. Durch die Verknüpfung anorganischer Halbleiter mit organischen Katalysatoren gelang es den Mitgliedern des Forschungsverbundes um Prof. Dr. Burkhard König vom Institut für Organische Chemie der Universität Regensburg, die von der Verbindung absorbierte Lichtenergie für die chemische Synthese komplexer Moleküle zu nutzen.

Die Regensburger Forscher fanden heraus, dass es dabei auf die richtige Kombination der beiden Komponenten – des anorganischen Halbleiters und des organischen Katalysators – ankommt. Falsche Kombinationen sind inaktiv oder führen sogar zur Zerstörung der Katalysatorverbindung. Die Untersuchungen der Regensburger Chemiker erlauben es aber jetzt, die richtigen Kombinationen vorab zu bestimmen.

Anorganische Halbleiter werden in der modernen Elektronik verwendet. Darüber hinaus nutzen photovoltaische Solarzellen diese Materialien, um Lichtenergie in elektrischen Strom umzuwandeln. Die photochemische Anwendung von einfachen Halbleitern – beispielsweise von Titandioxid als Weißpigment in Wandfarben – beschränkte sich bislang auf den photokatalytischen Abbau von Verunreinigungen (unter anderem auf selbstreinigenden Oberflächen) oder die Halbleiter wurden für den Abbau von Gerüchen und zur Desinfektion genutzt. Auf der Grundlage der Arbeiten des Regensburger Forscherteams können anorganische Halbleiter nun auch für gezielte organische Synthesen eingesetzt werden, wodurch diese nicht nur effizienter, sondern auch umweltfreundlicher werden.

Die Untersuchungen der Regensburger Chemiker wurden vor Kurzem in der Online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht (DOI: 10.1002/anie.201108721). (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

DNA-Origami-Faltung bildet einen intelligenten Verschluss für Nanoporen

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Pressemitteilung der TU München vom 19.04.2012

Zwei Forschungsarbeiten der TUM eröffnen neue Möglichkeiten für den Nachweis einzelner Moleküle:

Eine neu entwickelte Variante von festkörperbasierten Nanosensoren wurde mit ein paar Tricks aus der Bionanotechnologie verbessert, so dass die Möglichkeiten zur Messung von Einzelmolekülen und damit ein markierungsfreies Screening von Proteinen erweitert wurden. Forschern an der TU München ist es gelungen, die Funktionalität von Festkörper-Nanoporen zu verbessern, indem sie diese mit Nanoplättchen-Deckeln aus DNA als eine Art Verschluss versehen haben. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie, International Edition, veröffentlicht.

Zentrale Öffnungen in diesen Plättchen fungieren als „Torwächter“ und kontrollieren quasi einzelne Moleküle beim Passieren der Nanoschleuse. Gebildet werden diese Deckel mit dem sogenannten DNA-Origami-Verfahren: Abgeleitet von der japanischen Faltkunst Origami werden DNA-Stränge so synthetisiert, dass sie sich zu maßgeschneiderten Strukturen mit spezifischen chemischen Eigenschaften falten.

Im Verlauf der letzten Jahre ist es der Forschungsgruppe um Prof. Hendrik Dietz an der TUM gelungen, die DNA-Origami-Technik deutlich zu verfeinern. Dabei konnten sie zeigen, dass die mit Origami-Technik hergestellten Strukturen für Forschungszwecke in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden können. Ähnliche Fragen zur Messung einzelner Moleküle hat zur gleichen Zeit das Team von Dr. Ulrich Rant mit festkörperbasierten Nanoporen-Sensoren untersucht. Das messtechnische Prinzip dieser Sensoren basiert auf einer dünnen Halbleitermembran mit wenige Nanometer großen Öffnungen, durch die die gewünschten Biomoleküle einzeln geschleust werden. Wenn Biomoleküle durch diese Poren schlüpfen oder dort verweilen, liefern kleinste Änderungen des elektrischen Stroms, der durch die Nanopore fließt, Informationen über ihre charakteristischen physikalischen Eigenschaften. Inzwischen untersuchen Dietz und Rant gemeinsam – beide sind Fellows des TUM Institute for Advanced Study – welche Möglichkeiten eine kombinierte Anwendung dieser beiden Technologien eröffnen könnte.

Für das neue Messverfahren – das vor diesen Experimenten rein hypothetischer Natur war – wird zunächst ein DNA-Origami-Nanoplättchen über dem schmalen Ende einer konisch zulaufenden Festkörper-Nanopore positioniert. Durch eine Modifikation der Größe der zentralen Öffnung in der DNA-Nanoplatte lässt sich eine Filterung von Molekülen nach ihrer Größe erreichen. Um das System weiter zu verfeinern, werden Einzelstrang-DNA-Rezeptoren in der Öffnung als eine Art „Köder“ platziert, die sequenzspezifisch Zielmoleküle binden und damit den Nachweis einzelner Moleküle ermöglichen. Weitere denkbare Anwendungen sind hier unter anderem biomolekulare Interaktions-Screens und der Nachweis einzelner DNA-Sequenzen. Im Prinzip könnte man dieses System auch als Grundlage für ein neues Verfahren zur DNA-Sequenzierung nutzen.

Die Wissenschaftler untersuchten jede dieser Ideen Schritt für Schritt. Dabei konnten sie sowohl die Selbstorganisation von maßgeschneiderten DNA-Origami-Nanoplättchen als auch die anschließende elektrisch geleitete Positionierung über den Festkörper-Nanoporen belegen. Sie konnten auch zeigen, dass die größenabhängige Filterung von Biomolekülen und der Nachweis einzelner Zielmoleküle über spezifische „Köder“ funktionieren. „Wir freuen uns besonders darüber, dass wir mit unserem Köder aus spezifischen DNA-Sequenzen einzelne Moleküle herausfiltern und nachweisen konnten“, erläutert Dietz. „Denn neben DNA könnten sich auch eine Menge andere chemische Bestandteile des Stoffgemischs an der entsprechenden Stelle des DNA-Nanoplättchen unspezifisch anheften.“

Für den Einsatz bei hochspezifischen Messverfahren wie der DNA-Sequenzierung gilt es noch einige Hürden zu überwinden, erläutert Rant. „In zukünftigen Arbeiten müssen noch grundlegende Fragen geklärt werden, zum Beispiel in wie weit der direkte Transport von Ionen über die Origami Nanoplättchen die erreichbare Messgenauigkeit beeinflusst oder wie eine noch stabilere Verankerung der Nanoplättchen auf den Festkörperporen erzielt werden kann.“

Diese Forschungsarbeiten wurden unterstützt durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder – und zwar im Einzelnen durch das TUM Institute for Advanced Study, die Nano Initiative Munich und das Center for Integrated Protein Science Munich – sowie durch den Sonderforschungsbereich (SFB) 863 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und eine Nachwuchsforscher-Finanzhilfe des Europäischen Forschungsrates (ERC) an Hendrik Dietz. Ruoshan Wei wurde vom Fakultätsgraduiertenzentrum Physik der TUM Graduate School unterstützt.

Originalveröffentlichung:
DNA Origami Gatekeepers for Solid-State Nanopores Ruoshan Wei, Thomas G. Martin, Ulrich Rant, and Hendrik Dietz Angewandte Chemie International Edition on-line, April 4, 2012. DOI: 10.1002/anie.201200688

Externer Link: www.tu-muenchen.de