Streckbank für Zellen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.09.2020

Eine raffinierte, wenige Mikrometer kleine Vorrichtung macht es möglich, die Reaktion einzelner biologischer Zellen auf mechanischen Stress zu untersuchen – Publikation in Science Advances

Das Verhalten von Zellen wird durch ihre Umgebung gesteuert. Neben biologischen Faktoren und chemischen Substanzen geraten auch physikalische Kräfte wie Druck oder Zug in den Fokus. Eine Methode, mit der sich der Einfluss äußerer Kräfte auf einzelne Zellen analysieren lässt, haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg entwickelt. Mit einem 3D-Druckverfahren stellen sie Mikro-Gerüste her, auf deren jeweils vier Pfeilern sich eine Zelle ansiedelt. Auf ein äußeres Signal hin schwillt ein Hydrogel im Inneren des Gerüstes an und drückt die Pfeiler auseinander: Die Zelle muss sich „strecken“. Die Arbeit ist Teil des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O). Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.abc2648).

Viele zelluläre biologische Prozesse, wie etwa die Wundheilung oder die Entwicklung von Gewebe, werden stark von den Eigenschaften ihrer Umgebung beeinflusst. Zellen reagieren beispielsweise auf biologische Faktoren oder chemische Stoffe. Doch zunehmend geraten auch einwirkende physikalische Kräfte in den Blickpunkt der Forschung: Wie genau stellen sich die Zellen auf sie ein?

Das Team des Exzellenzclusters 3DMM2O hat im deutsch-japanischen Universitätskonsortium HeKKSaGOn und in Kooperation mit australischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einen besonders raffinierten Weg beschritten, um sich dieser Frage zu nähern. Für die Herstellung ihrer Zell-Streckbänke nutzten sie das „direkte Laserschreiben“, ein spezielles 3D-Druckverfahren: Dabei wird ein Laserstrahl computergesteuert in eine spezielle flüssige Druckertinte fokussiert. Deren Moleküle reagieren nur an den beleuchteten Stellen und bilden dort ein festes Material. Alle anderen Bereiche bleiben flüssig und können weggewaschen werden. „Dieses Verfahren ist bei uns im Exzellenzcluster etabliert, um dreidimensionale Strukturen aufzubauen – auf der Mikrometerskala und darunter“, erläutert Marc Hippler vom Institut für Angewandte Physik des KIT, Erstautor der Veröffentlichung.

Im aktuellen Fall verwendeten die Forscherinnen und Forscher drei verschiedene Druckertinten: Eine Tinte aus protein-abweisendem Material, mit der sie das eigentliche Mikrogerüst herstellten. Mit einer zweiten Tinte aus protein-anziehendem Material fertigten sie anschließend vier Balken, die jeweils mit einem der Gerüstpfeiler verbunden sind. Auf diesen vier Balken verankert sich die Zelle. Eine dritte Tinte ist der eigentliche Clou: Die Wissenschaftler „drucken“ mit ihr eine Masse im Inneren des Gerüstes. Geben sie dann eine spezielle Flüssigkeit zu, dehnt sich die Hydrogel-Masse aus. Sie entwickelt so eine Kraft, die ausreicht, um die Pfeiler mitsamt den Balken zu bewegen – und somit die Zelle auf den Balken zu strecken.

Zellen wirken Deformation aktiv entgegen

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters haben zwei ganz verschiedene Zellarten auf ihre Mikro-Streckbank gelegt: humane Knochentumor-Zellen und embryonale Mäusezellen. Sie stellten fest, dass die Zellen den äußeren Kräften mit Motorproteinen aktiv entgegenwirken und ihre Zugkräfte so stark erhöhen. Wird die externe Streckung aufgehoben, so entspannen sich die Zellen wieder und kehren zu ihrem Ausgangszustand zurück. „Dieses Verhalten zeigt eindrucksvoll die Anpassungsfähigkeit an eine dynamische Umgebung. Wenn sich die Zellen nicht mehr erholen würden, wären sie nicht mehr in der Lage, ihre ursprüngliche Funktion – beispielsweise den Wundverschluss – zu erfüllen“, so Professor Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut des KIT.

Wie das Team weiter herausfand, spielt bei der Reaktion der Zellen auf die mechanische Stimulation ein Protein namens NM2A (NonMuscle Myosin 2A) eine entscheidende Rolle: Genetisch veränderte Knochentumor-Zellen, die NM2A nicht bilden können, waren kaum noch in der Lage, der äußeren Deformation entgegenzuwirken.

An den aktuellen Arbeiten im Exzellenzcluster haben Heidelberger Forschende aus der biophysikalischen Chemie und Karlsruher Forschende der Physik und der Zell- und Neurobiologie mitgewirkt. In dem deutsch-japanischen Universitätskonsortium HeKKSaGOn haben sich unter anderem die Universität Heidelberg, das Karlsruher Institut für Technologie und die Universität Osaka zusammengeschlossen.

Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order

Im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order (3DMM2O) forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Heidelberg interdisziplinär an innovativen Technologien und Materialien für digitale skalierbare additive Fertigungsverfahren, um den 3D-Druck präziser, schneller und leistungsfähiger zu machen. Ziel ist es, die 3D-Fertigung und Materialverarbeitung vom Molekül bis zur Makrostruktur vollständig zu digitalisieren. Zusätzlich zur Förderung als Exzellenzcluster innerhalb der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder wird 3DMM2O durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert. (ffr)

Originalpublikation:
Marc Hippler, Kai Weißenbruch, Kai Richler, Enrico D. Lemma, Masaki Nakahata, Benjamin Richter, Christopher Barner-Kowollik, Yoshinori Takashima, Akira Harada, Eva Blasco, Martin Wegener, Motomu Tanaka, Martin Bastmeyer: Mechanical Stimulation of Single Cells by Reversible Host-Guest Interactions in 3D Micro-Scaffolds, Science Advances, 2020, DOI: 10.1126/sciadv.abc2648.

Externer Link: www.kit.edu

Das Quantenecho kommt gleich mehrfach

Presseaussendung der TU Wien vom 24.09.2020

Ein Forschungsteam aus Garching und Wien entdeckte einen bemerkenswerten Echoeffekt – er bietet spannende neue Möglichkeiten für die Arbeit mit Quanteninformation.

Kleine Teilchen können einen Drehimpuls haben, der in eine bestimmte Richtung zeigt – den sogenannten Spin. Durch ein Magnetfeld lässt sich dieser Spin manipulieren. Das nutzt man etwa für die Magnetresonanztomographie aus, wie sie in Krankenhäusern eingesetzt wird. Nun stieß ein internationales Forschungsteam auf einen überraschenden Effekt bei einem System, das sich besonders gut für die Verarbeitung von Quanteninformation eignet: die Spins von Phosphor-Atomen in einem Stück Silizium, die an einen Mikrowellen-Resonator gekoppelt werden können. Regt man diese Spins geschickt mit Mikrowellen-Pulsen an, so kann man nach einer bestimmten Zeit ein so genanntes Spin-Echosignal detektieren – das eingespeiste Pulssignal wird als Quantenecho wieder ausgesendet. Erstaunlicherweise stellt sich dieses Quantenecho nicht nur einmal ein, sondern es lässt sich eine ganze Serie von Echos detektieren. Das eröffnet neue Möglichkeiten, wie mit solchen Quantensystemen Information verarbeitet werden kann.

Die Experimente wurden am Walther-Meißner-Institut in Garching an der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Technischen Universität München durchgeführt, die theoretische Erklärung dazu entstand an der Technischen Universität Wien. Nun wurde die gemeinsame Arbeit im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Das Echo der Quantenspins

„Spin-Echos kennt man schon lange, das ist nichts Ungewöhnliches“, sagt Prof. Stefan Rotter von der TU Wien. Zunächst erreicht man durch ein Magnetfeld, dass die Spins vieler Teilchen in dieselbe magnetische Richtung zeigen. Dann bestrahlt man die Teilchen mit einem elektromagnetischen Puls, und plötzlich beginnen ihre Spins ihre Richtung zu ändern.

Allerdings sind die Teilchen jeweils in geringfügig unterschiedliche Umgebungen eingebettet. Es kann daher sein, dass auf unterschiedliche Teilchen leicht unterschiedliche Kräfte wirken. „Dadurch verändert sich der Spin nicht bei allen Teilchen gleich schnell“, erklärt Dr. Hans Hübl von der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. „Manche Teilchen ändern ihre Spin-Richtung schneller als andere, und bald hat man ein wildes Durcheinander von Spins mit ganz unterschiedlichen Ausrichtungen.“

In dieses scheinbare Chaos kann man allerdings neue Ordnung bringen – mit Hilfe eines weiteren elektromagnetischen Pulses. Ein geeigneter Puls kann nämlich die vorherige Spin-Drehung wieder umkehren, sodass die Spins alle wieder zueinanderstreben. „Man kann sich das so ähnlich vorstellen wie bei einem Marathon“, sagt Stefan Rotter. „Beim Startsignal sind alle Läufer noch gemeinsam am Start; dadurch, dass manche Läufer schneller unterwegs sind als andere, wird das Feld der Läufer im Laufe der Zeit immer weiter auseinandergezogen. Wenn man nun jedoch allen Läufern das Signal gibt, wieder zum Start zurückzukehren, würden alle Läufer wieder ungefähr zum gleichen Zeitpunkt an den Start zurückkommen, obwohl schnellere Läufer einen längeren Rückweg zurücklegen müssen als langsamere.“

Bei den Spins bedeutet das, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Teilchen wieder genau dieselbe Spin-Richtung haben – und das bezeichnet man als „Spin-Echo“. „Dass wir bei unseren Experimenten ein Spin-Echo messen konnten, hatten wir auf Basis unserer Erfahrung in diesem Gebiet bereits erwartet“, sagt Hans Hübl. „Das Bemerkenswerte ist nun allerdings, dass wir nicht nur ein einziges, sondern gleich mehrere Echos messen konnten.“

Der Spin, der sich selbst beeinflusst

Zunächst war unklar, wie dieser neuartige Effekt zustande kommt. Doch genauere theoretische Analysen ermöglichten nun, das Phänomen zu verstehen: Es liegt an der starken Kopplung zwischen den beiden Bestandteilen des Experiments – den Spins und den Photonen in einem Mikrowellen-Resonator, einem elektrischen Schaltkreis, in dem Mikrowellen nur mit bestimmten Wellenlängen existieren können. „Diese Kopplung ist das Wesentliche an unserem Experiment: In den Spins kann man Information speichern, und mit Hilfe der Mikrowellenphotonen im Resonator kann man sie verändern und auslesen“, sagt Hans Hübl.

Die starke Kopplung zwischen den Atomspins und dem Mikrowellen-Resonator sorgt zusätzlich aber auch für das Mehrfach-Echo: Wenn die Spins der Atome nämlich beim ersten Echo alle wieder in dieselbe Richtung zeigen, entsteht genau dadurch ein elektromagnetisches Signal. „Dank der Kopplung an den Mikrowellen-Resonator wirkt dieses Signal wieder auf die Spins zurück, und das führt zu einem weiteren Echo – und immer so weiter“, erklärt Stefan Rotter. „Die Spins verursachen von selbst den elektromagnetischen Puls, der für das nächste Echo verantwortlich ist.“

Die Physik des Spin-Echos hat eine große Bedeutung für technische Anwendungen – sie ist ein wichtiges Grundprinzip, das hinter der Magnetresonanztomographie steckt. Welche neuen Möglichkeiten nun in dem Mehrfach-Echo stecken, etwa für die Verarbeitung von Quanteninformation, soll nun genauer untersucht werden. „Fest steht, dass sich dadurch völlig neue Möglichkeiten ergeben“, sagt Rudolf Gross, Co-Autor der Studie und Direktor des Walther-Meißner Instituts in Garching, sowie Professor für Technische Physik an der TU München. „Eine regelmäßige Serie quantenphysikalischer Signale ist für uns ein aufregendes neues Werkzeug.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
S. Weichselbaumer et al., Echo Trains in Pulsed Electron Spin Resonance of a Strongly Coupled Spin Ensemble, Phys. Rev. Lett. 125, 137701 (2020)

Externer Link: www.tuwien.at

Forschende züchten vollständige künstliche Retina

Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.09.2020

Basler Forschenden ist es gelungen, akkurate Replikas menschlicher Netzhaut zu züchten. Das wird die Entwicklung neuartiger Therapien für Augenerkrankungen beschleunigen. Über die Ergebnisse berichten die Forschenden von der Universität Basel, dem Institut für Molekulare und Klinische Ophthalmologie Basel und den Novartis Institutes for BioMedical Research heute im Fachblatt Cell.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Botond Roska, Professor an der Universität Basel und Direktor des Instituts für Molekulare und Klinische Ophthalmologie Basel (IOB), arbeitet seit sechs Jahren an der Züchtung menschlicher Netzhäute. Das nun kultivierte Gewebe wird als Netzhaut-Organoid bezeichnet, da es dieselben Eigenschaften aufweist wie menschliche Netzhaut – einschliesslich der Krankheitsparameter von individuellen Patienten. Für die Züchtung der Mini-Organe brauchten die Forschenden nur Haut- oder Blutproben der Patienten.

Neue Methode zum Vergleich

«Unsere Netzhaut-Organoide sind so besonders, weil sie wie die menschliche Netzhaut eine Schichtstruktur haben und auf Licht in gleicher Weise reagieren», erklärt Dr. Cameron Cowan. Er ist Postdoc in der Human Retinal Circuit Gruppe am IOB und einer der Erstautoren der Publikation.

Der detaillierte Vergleich der gezüchteten Netzhaut-Organoide mit Netzhaut von Multi-Organspendern bestätigte die starken Ähnlichkeiten. «Wir konnten zeigen, dass unsere kultivierten Organoide nach 38 Wochen – das entspricht der Dauer einer durchschnittlichen Schwangerschaft beim Menschen – viele derselben Zelltypen aufweisen, wie die Netzhaut eines erwachsenen Menschen», sagt Prof. Botond Roska. «Wir waren die Ersten, die menschliche Netzhaut von Verstorbenen funktionsfähig und lichtempfindlich erhalten konnten». Das machte die Vergleiche überhaupt erst möglich.

Massgeschneiderte Therapie

Der grosse Wert der Netzhaut-Organoide gründet zudem auf dem Beweis der Forschenden, dass gleiche Defekte in jeweils denselben Zelltypen zu denselben Netzhauterkrankungen in den Organoiden und in menschlicher Netzhaut führen.

«Wir können Netzhaut-Organoide aus Hautbiopsien oder Blut von individuellen Patienten züchten. Damit können wir im Labor Behandlungen entwickeln, die auf diese Patienten massgeschneidert sind», sagt Dr. Magdalena Renner. Sie ist ebenfalls Erstautorin der Publikation und Leiterin der Human Organoid Platform am IOB.

Die Erkenntnisse beschleunigen die Entwicklung neuer Therapien für Netzhauterkrankungen, die bisher zur Erblindung führen.

Originalpublikation:
Cameron S. Cowan et al.: Cell Types of the Human Retina and Its Organoids at Single-Cell Resolution. Cell (2020), doi: 10.1016/j.cell.2020.08.013

Externer Link: www.unibas.ch

Neue Methode schützt Quantencomputer vor Ausfällen

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 09.09.2020

Quanteninformation ist fragil, weshalb Quantencomputer in der Lage sein müssen, Fehler zu korrigieren. Was aber, wenn ganze Qubits verloren gehen? Forscher der Universität Innsbruck präsentieren in Zusammenarbeit mit Kollegen der RWTH Aachen und der Universität Bologna in der Fachzeitschrift Nature nun eine Methode, mit der Quantencomputer auch dann weiterrechnen können, wenn sie einige Qubits verlieren.

Die Träger von Quanteninformation, die sogenannten Qubits, sind anfällig für Fehler, die durch unerwünschte Wechselwirkungen mit der Umwelt verursacht werden. Diese Fehler häufen sich während einer Quantenrechnung an, ihre Korrektur ist für den zuverlässigen Einsatz von Quantencomputern eine zentrale Voraussetzung. Ähnlich wie der klassische Computer benötigt auch der Quantencomputer eine funktionierende Fehlerkorrektur.

Inzwischen können Quantencomputer mit einer gewissen Anzahl von Rechenfehlern, wie zum Beispiel Bitflip- oder Phasenflip-Fehlern, umgehen. Zusätzlich zu diesen Fehlern können jedoch auch Qubits ganz aus dem Quantenregister verloren gehen. Je nach Art des Quantencomputers kann dies auf den tatsächlichen Verlust von Teilchen wie Atomen oder Ionen zurückzuführen sein, oder darauf, dass Quantenteilchen beispielsweise in unerwünschte Energiezustände übergehen, welche nicht mehr als Qubit erkannt werden. Wenn ein Qubit verloren geht, wird die Information in den verbleibenden Qubits unlesbar und ungeschützt. Für das Ergebnis der Berechnung kann dieser Prozess zu einem potentiell verheerenden Fehler werden.

Verlust in Echtzeit erkennen und korrigieren

Ein Team von Physikern um Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun in Zusammenarbeit mit Theoretischen Physikern aus Deutschland und Italien fortgeschrittene Methoden entwickelt und implementiert, die es ihrem Ionenfallen-Quantencomputer erlauben, sich in Echtzeit an den Verlust von Qubits anzupassen und den Schutz der fragilen Quanteninformation aufrechtzuerhalten. „In unserem Quantencomputer können die Ionen, die die Qubits speichern, für sehr lange Zeit, sogar Tage, gefangen werden“, erzählt Roman Stricker aus dem Team von Rainer Blatt. „Unsere Ionen sind jedoch viel komplexer als die vereinfachte Beschreibung als zweistufiges Qubit vermuten lässt. Dies bietet ein großes Potenzial und zusätzliche Flexibilität bei der Steuerung unseres Quantencomputers, führt aber leider auch dazu, dass Quanteninformation aufgrund von unvollkommenen Rechenoperationen oder Zerfallsprozessen verloren geht.“ Mit einem von der Theorie-Gruppe um Markus Müller an der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich in Zusammenarbeit mit Davide Vodola von der Universität Bologna entwickelten Ansatz hat das Innsbrucker Team gezeigt, dass ein solcher Verlust in Echtzeit erkannt und korrigiert werden kann. Müller betont, dass „die Kombination von Quantenfehlerkorrektur und der Korrektur von Qubit-Verlusten ein notwendiger nächster Schritt in Richtung großer und robuster Quantencomputer ist“.

Breit einsetzbare Methoden

Die Forscher mussten zwei Schlüsseltechniken entwickeln, um ihren Quantencomputer vor dem Verlust von Qubits zu schützen. Die erste Herausforderung bestand darin, den Verlust eines Qubit überhaupt zu erkennen: „Die direkte Messung des Qubits ist keine Option, da dies die darin gespeicherte Quanteninformation zerstören würde“, erklärt Philipp Schindler von der Universität Innsbruck. „Wir konnten dieses Problem überwinden, indem wir eine Technik entwickelten, bei der wir mit einem zusätzlichen Ion prüfen, ob das fragliche Qubit noch vorhanden ist oder nicht, ohne es aber zu stören“, erläutert Martin Ringbauer. Die zweite Herausforderung bestand darin, den Rest der Berechnung in Echtzeit anzupassen, falls tatsächlich ein Qubit verloren geht. Diese Anpassung ist entscheidend, um die Quanteninformation nach einem Verlust zu entschlüsseln und die verbleibenden Qubits zu schützen. Der Leiter des Innsbrucker Teams, Thomas Monz, betont, dass „alle in dieser Arbeit entwickelten Bausteine leicht auf andere Quantencomputerarchitekturen und andere führende Protokolle zur Quantenfehlerkorrektur anwendbar sind“.

Die Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG und der Europäischen Union finanziert.

Publikation:
Experimental deterministic correction of qubit loss. Roman Stricker, Davide Vodola, Alexander Erhard, Lukas Postler, Michael Meth, Martin Ringbauer, Philipp Schindler, Thomas Monz, Markus Müller, Rainer Blatt. Nature 2020 doi: 10.1038/s41586-020-2667-0

Externer Link: www.uibk.ac.at