Live-Verfolgung in der Zelle: Biologische Fussfessel für Proteine

Medienmitteilung der Universität Basel vom 18.06.2018

Eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Wege von Proteinen in die Zelle hinein verfolgen lassen. Dabei werden Proteine mit kleinsten Nanosensoren, sogenannten Nanobodies, markiert. Mit dieser Fussfessel lässt sich ihr Weg durch die Zelle live verfolgen. Die Methode, die sich für vielseitigste Forschungszwecke eignet, ist jetzt im Fachjournal «PNAS» beschrieben.

Membranproteine sind die Grundbausteine jeder einzelnen Zelle des menschlichen Körpers und für die wichtigsten Funktionen wie Aufbau, Stoffwechsel und Transport verantwortlich. Sie sorgen dafür, dass eine Vielzahl von Stoffen wie Hormone oder andere Proteine von der Zelloberfläche ins Innere der Zelle transportiert oder aus der Zelle wieder hinausbefördert werden.

Die Verteilung von Proteinen in der Zelle lässt sich relativ einfach bestimmen. Die Wege nachzuverfolgen, welche Proteine innerhalb der Zelle nehmen, und festzustellen, wo sie ihren Bestimmungsort haben, ist erheblich schwieriger. Das neu entwickelte Nanobody-Tool der Forschungsgruppe Spiess vom Biozentrum der Universität Basel ermöglicht es nun, Proteine auf ihrem Weg in die Zelle und wieder zurück zur Oberfläche zu beobachten. Zudem lässt sich die quantitative Methode zukünftig zur Aufklärung der molekularen Transportmechanismen im Inneren der Zelle einsetzen.

Mini-Antikörper als Nanosensor

Für die Methode verwendeten die Forscher sogenannte Nanobodies, kleinste Antikörperfragmente. Diese bestehen lediglich aus einer einzigen Proteinkette und haben somit den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu Antikörpern, die aus insgesamt vier Proteinen bestehen, nur ein Zehntel so gross, sehr kompakt und stabil sind. «Ursprünglich wurden Nanobodies aus Kamelen und Lamas gewonnen. Wir haben die Nanobodies so verändert, dass wir sie mit Hilfe von Bakterien herstellen und als Nanosensoren einsetzen können», so Professor Martin Spiess.

Nanofussfessel ermöglicht live-Verfolgung

Die Nanobodies werden genetisch so verändert, dass sie fluoreszieren. «Anschliessend heften wir sie wie eine Fussfessel an die gewünschten Proteine. Dort bleiben sie haften, welchen Weg auch immer das Protein in der Zelle nimmt», erklärt Dominik Buser, Erstautor der Studie. Die Aufnahme und Verteilung der Oberflächenproteine lassen sich dann in der lebenden Zelle mikroskopisch beobachten.

«Der Nanosensor mit seiner fluoreszierenden Farbe zeigt uns die Bewegungen genau an. Dadurch können wir die natürlichen Transportwege der Proteine in der Zelle live nachverfolgen ebenso wie die Geschwindigkeit, mit der Proteine innerhalb der Zelle befördert werden.» Zudem konnten die Forschenden die Nanobodies so verändern, dass sich die Proteine elektronenmikroskopisch mit höchster Auflösung in der Zelle lokalisieren lassen.

Zukünftig möchte das Forschungsteam mit der neuen Methode die Transportwege verschiedener Proteine genauer untersuchen.

Originalbeitrag:
Dominik Buser, Kai Schleicher, Cristina Prescianotto-Baschong, Martin Spiess
Versatile nanobody-based toolkit to analyze retrograde transport from the cell surface
PNAS (2018), doi: 10.1073/pnas.1801865115

Externer Link: www.unibas.ch

Erweiterte Realität hilft beim Bauen von Flugzeugtanks

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 13.06.2018

Forscherinnen und Forscher des KIT entwickeln ein Assistenzsystem, welches Technikerinnen und Technikern das Fertigen und Warten enger Flugzeugtanks erleichtert

Durch eine fremde Stadt laufen und sich eine Wegbeschreibung oder Simulationen nicht mehr vorhandener Gebäude anzeigen lassen: In der Augmented Reality oder erweiterten Realität vermischen sich virtuelle Inhalte und „echte“ Welt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln auf Basis dieser Technologie ein Assistenzsystem, das Technikerinnen und Techniker beim Fertigen und Warten von Flugzeugtanks unterstützt. Das System wird gerade in der Industrie erprobt.

Bei Augmented-Reality-Anwendungen (AR) liefern ein Tablet, Smartphone oder eine spezielle Videobrille, auch Head-Mounted Display genannt, zusätzliche Informationen zur Realität. Virtuelle Inhalte vermischen sich auf dem Display mit der echten Welt. Zu den bekanntesten AR-Anwendungen zählt das Spiel Pokémon GO, eine virtuelle Jagd nach virtuellen Wesen, die an allen erdenklichen realen Orten „auftauchen“. Aber auch in der Industrie gewinnt die Technik immer mehr an Bedeutung: „Wir entwickeln eine Software, die dabei hilft, Flugzeugtanks zu bauen und zu warten. Sie soll die Flexibilität der Mitarbeiter erhöhen, den Arbeitsablauf beschleunigen und die Prozesse vernetzen und optimieren“, sagt Christian Tesch vom Institut für Anthropomatik und Robotik des KIT, Lehrstuhl für Intelligente Sensor-Aktor-Systeme (ISAS, Leitung Prof. Uwe D. Hanebeck). Viele Verkehrsflugzeuge sind zunächst nicht für lange Flüge ausgerüstet, der Treibstofftank ist zu klein. Damit sie dennoch lange Strecken zurücklegen können, werden zusätzliche Tanks benötigt, die regelmäßig gewartet werden müssen. Dazu müssen die Technikerinnen und Techniker bislang durch eine kleine Öffnung in die Tanks einsteigen. Bei der Montage von Bauteilen benötigen sie oft jedoch beide Hände, doch gerade neue Arbeitskräfte brauchen gleichzeitig auch eine Bauanleitung.

„Die Augmented-Reality-Brille – momentan nutzen wir die HoloLens von Microsoft – zeigt die zu erledigenden Arbeitsschritte im Sichtfeld der Techniker an, die so die Hände frei haben, um Bauteile anzubringen oder zu reparieren“, so Tesch. Die Brille ist mit Kameras ausgestattet. Über diese scannt der Nutzer vorab spezielle Marker am Tank, die beispielsweise den genauen Standort und die Größe des Tanks an die Brille übermitteln. Auf den „echten“ Tank wird dann ein transparentes 3-D-Computermodell vom Inneren des Tanks projiziert – so können Techniker auch von außerhalb in den geschlossenen Tank blicken, die Konstruktion im Detail nachvollziehen und sich Schritt für Schritt anleiten lassen, wie etwa ein Rohr zu montieren ist. Außerdem zeigt die Brille anhand eingeblendeter Markierungen auf dem Boden an, wo im Lagerraum die benötigten Bauteile zu finden sind. Dieses erkennt die Brille ebenfalls anhand vorab eingelernter Marker. „Wir vernetzen das eigentliche Arbeiten am Tank mit der Lokalisierung von Objekten und können so ein Gesamtkonzept erstellen“, sagt Tesch.

Alle für dieses Konzept erforderlichen Berechnungen finden direkt in der Brille statt. Zusätzliche Informationen über den Tankzustand, den Arbeitsfortschritt oder den Lagerbestand der Bauteile erhält sie über eine externe Datenbank, sodass die Nutzer immer auf dem aktuellsten Stand sind. Über Gesten- und Sprachsteuerung können sie die AR-Brille bedienen.

Die Forscher entwickeln das System nicht nur für AR-Brillen: „Viele Menschen besitzen heute ein Smartphone oder ein Tablet; auch in den Berufsalltag sind diese Geräte längst fest integriert. Deshalb soll unsere Software in Zukunft auch mit handelsüblichen Smartphones funktionieren“, sagt Dr. Antonio Zea, der am Institut für Anthropomatik und Robotik die Entwicklung der Software für mobile Endgeräte betreut. In den nächsten Jahren werde sich vermutlich auch die Hardware für AR-Anwendungen noch weiter verbessern, die AR-Brillen könnten kleiner und erschwinglicher und damit noch vielfältiger einsetzbar werden.

Das KIT kooperiert in dem Projekt mit der Firma PFW Aerospace GmbH. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können so die Software unter realen Bedingungen testen und verbessern. Bis Anfang 2019 wollen sie diese einsatzbereit machen. (swi)

Externer Link: www.kit.edu

Härten auf Knopfdruck: Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffe und Unterwasser-Kleber

Presseaussendung der TU Wien vom 04.06.2018

An der TU Wien wurde eine Spezialformel für ein Epoxidharz entwickelt. Es kann für faserverstärkte Komposite im Flugzeug-, Auto- oder Schiffsbau eingesetzt werden, oder ist sogar für Unterwassersanierungen geeignet.

Innerhalb von Sekunden kann sich das neue Material völlig verändern: Am Anfang ist es transparent, es kann flüssig oder pastos sein. Bestrahlt man es an irgendeinem Punkt mit dem passenden Licht, beginnt sich das gesamte Spezialharz zu verfestigen und nimmt dabei eine dunkle Farbe an. Die spezielle Epoxidharz-Formel, die das möglich macht, wurde von der TU Wien patentiert. Nun gelang es, diesen Prozess sogar unter Wasser ablaufen zu lassen. Damit kann das neue Epoxidharz für Aufgaben verwendet werden, die bisher nur sehr schwer zu lösen waren – etwa um unter Wasser Risse in Brückenpfeilern oder Dämmen zu verkitten, oder um im laufenden Betrieb Rohre zu reparieren.

Neu ist auch, dass dieses spezielle Epoxidharz auch in Verbindung mit Kohlenfasern oder Kohlenfasermatten verwendet werden kann. Dadurch ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten im Flugzeugbau, bei Windkraftanlagen, Schiffs- und Bootsbau oder in der Automobilindustrie – überall dort wo man höchste mechanische Eigenschaften mit besonders leichter Bauweise kombinieren möchte.

Gewöhnliches Material mit ungewöhnlichem Zusatz

Epoxidharze gehören zu den Standard-Materialien, die in der Industrie für viele unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden – etwa um elektronische Bauteile zu isolieren, oder um mechanische Teile zu fixieren. Die Forschungsgruppe von Prof. Robert Liska (Institut für Angewandte Synthesechemie, TU Wien) entwickelt Zusatzstoffe, die man gewöhnlichem Epoxidharz hinzufügt, um seine Eigenschaften anzupassen und eine gezielte Aushärtung auf Knopfdruck zu ermöglichen.

„Wir entwickeln spezielle Verbindungen, bei denen durch Licht eine chemische Reaktion ausgelöst wird“, erklärt Robert Liska. „Das kann ein heller Blitz sichtbaren Lichts sein, wir haben auch Verbindungen, die nur auf UV-Licht reagieren.“ An dem Punkt, an dem das Licht auf das Harz trifft, wird eine Reaktion gestartet, die Wärme freisetzt. Diese Wärme breitet sich aus und setzt die chemische Kaskade auch anderswo in Gang – bis schließlich das gesamte Harz in kurzer Zeit ausgehärtet ist.

„Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist, dass man nicht wie bei anderen lichthärtenden Materialien das gesamte Harz beleuchten muss“, erklärt Liska. „Es genügt, irgendeinen beliebigen Punkt mit Licht zu treffen. Der Rest härtet dann auch aus, wenn er sich tief in einem dunklen Spalt befindet, den man kitten möchte.“ Bisher hat man für solche Einsatzbereiche meist Zweikomponenten-Formulierungen verwendet. Sie werden zunächst direkt vor Ort mühsam zusammengemischt und müssen dann sehr schnell verarbeitet werden, bevor sie von alleine aushärten.

Interesse aus der Industrie

Von Partnerunternehmen aus der Industrie kam die Anfrage, ob dieser Prozess auch in Gegenwart von „dunklen“ Füllstoffen oder Fasern möglich wäre, denn gerade für solche schwierigen Einsätze wäre selbsthärtendes Epoxidharz äußerst nützlich. „Oberflächlich betrachtet widerspricht diese Idee jeder Theorie“, meint Liska. „Das Licht wird durch die schwarzen Kohlefasern sehr gut absorbiert, kann also nicht weit in das Material eindringen“,  Trotzdem konnte in Experimenten an der TU Wien eindrucksvoll gezeigt werden, dass dies sehr gut funktioniert.

Auch das Aushärten unter Wasser widerspricht jeder Theorie. „Man würde erwarten, dass das Wasser einerseits mit den Komponenten des Harzes während der Härtung chemisch reagiert, und dass es andererseits die Wärme abtransportiert, die man zum Aufrechterhalten der Reaktion benötigt.“ Erstaunlicherweise gelang es aber auch, die lichtgestartete Selbstaushärtung unter Wasser ablaufen zu lassen. „Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die chemische Reaktion das Wasser zum Kochen bringt“, erklärt Robert Liska. „Es bildet sich also zwischen dem erhärtenden Harz und dem umgebenden Wasser eine dünne Schutzschicht aus Wasserdampf.“

Nun wird nach weiteren Anwendern aus der Industrie gesucht, um die Möglichkeiten des Spezialharzes auszuloten. Neben dem Einsatz als Glas- und Kohlefaserkomposite im Bereich vom Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau liegt ein besonders interessanter Bereich in der Sanierung von Bauwerken. Man könnte etwa Risse in Gebäuden, die im Wasser errichtet sind, mit zähflüssigem Harz verkleben und dann mit einem Lichtblitz aushärten. Auch die Sanierung von Rohrleitungen ist eine Aufgabe, die oft sehr schwer zu lösen ist – auch hier würde sich der Einsatz des neuen Harzes anbieten. „Möglichkeiten gibt es viele – wir hoffen auf möglichst interessante neue Ideen“, sagt Robert Liska. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

technologiewerte.de – MOOCblick Juni 2018

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Industry 4.0: How to Revolutionize your Business
Eric Tsui (The Hong Kong Polytechnic University) et al.
Start: 12.06.2018 / Arbeitsaufwand: 36-48 Stunden

Externer Link: www.edx.org