Archiv des Autors: PaulWutz

Mit Sensoren gegen Falschfahrer: Jungforscher bringen Frühwarnsystem zur Marktreife

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 21.08.2018

Drei Nachwuchswissenschaftler der Universität des Saarlandes haben ein System entwickelt, das Geisterfahrer stoppen und Unfälle verhindern kann. Für ihre solarbetriebene Erfindung, die kostengünstig in Leitpfosten am Straßenrand eingebaut wird, erhielten sie schon im Studium mehrere Preise. Mit einem EXIST-Stipendium gründen sie derzeit eine Firma. Das Saarland unterstützt ihr Vorhaben: Das Saar-Verkehrsministerium öffnet den Jung-Ingenieuren die Türen, damit das System auf die Straße kommt. Derzeit sammeln sie an saarländischen Autobahnen Massendaten, um die Software auszufeilen und zu verfeinern.

Es kommt eher selten vor, dass eine Idee das Potenzial hat, Leben zu retten. Und das sogar weltweit. Falschfahrer sind international ein Problem. Immer wieder kommt es zu Unfällen, die wegen der Wucht des Frontalaufpralls oft tödlich enden. Systeme, die abhelfen, sind meist teuer, aufwändig oder brachial – wie Krallen, die Reifen auch von Krankenwagen und Polizei platzen lassen. Und so bleiben heute Autobahnen vielerorts ungeschützt. Mit ihrem solarbetriebenen Sensorsystem liefern drei Nachwuchsforscher der Saar-Uni eine kostengünstige Lösung. Eingebaut ist es in Leitpfosten, die ohnehin am Straßenrand stehen.

„Unser Sensorsystem erkennt Falschfahrer und kann Fahrer, Polizei und Verkehrsfunk sofort warnen. Auch weitere Reaktionen können wir programmieren. So könnte etwa über ein verbundenes Leitsystem die Straße gesperrt werden“, erklärt Julian Neu (25), der das „Ghostbuster“ genannte System mit seinen Studienkollegen Daniel Gillo (27) und Benjamin Kirsch (26) während des Studiums entwickelt hat. Ihre Firma T-ProTex hat ihre Keimzelle auf dem Campus am Lehrstuhl für Mikromechanik, Mikrofluidik und Mikroaktorik von Professor Helmut Seidel.

„Unfälle mit Geisterfahrern haben wegen hoher Geschwindigkeiten oft ein besonders fatales Schadensausmaß, weshalb wir insbesondere an Autobahnauffahrten versuchen, Falschfahrer mit Schildern und Pfeilen vom falschen Weg abzubringen“, sagt die saarländische Verkehrsministerin Anke Rehlinger. „Ist der Autofahrer aber einmal falsch aufgefahren, bleibt dies meist unbemerkt, bis es zum Crash kommt. Ein Frühwarnsystem wie der Ghostbuster könnte hier eine echte Wende bringen – und im Ernstfall Leben retten.“ Sie findet die Idee so gut, dass ihr Ministerium die Weiterentwicklung der Leitpfosten unterstützt – mit dem Ziel, sie auf saarländischen Straßen zu testen. Damit wäre das Saarland Vorreiter der neuen Technik.

Nach Testläufen auf dem Campus sammeln die Gründer mit ihren Leitpfosten jetzt Daten an saarländischen Autobahnen, um die Software ihres Systems für den Praxiseinsatz auszufeilen. Das Verkehrsministerium hat hierfür alle Zuständigen im Land – vom Straßenbauamt über die Verkehrsleitstelle bis hin zur Polizei – an einen Tisch gebracht. „Es hat uns überrascht, wie viele Türen uns geöffnet werden. Wir hatten eine E-Mail an die Verkehrsministerin geschrieben und ihr unser System vorgestellt. Darauf hat sie uns eingeladen, es zu präsentieren. Als wir zu dem Termin kamen, war der Saal voller Entscheider aus den unterschiedlichsten Bereichen, die alle interessiert waren“, erzählt Julian Neu.

Mit Sensoren kommen die Jungingenieure den Geisterfahrern auf die Spur: „Ein Infrarot-Bewegungssensor erfasst pausenlos jede Bewegung im Umfeld von rund zehn bis zwölf Metern des Leitpfostens“, erklärt Benjamin Kirsch. Nähert sich ein Wagen, aktiviert dieser Sensor zwei weitere, die an den Seiten des Leitpfostens einander gegenüberliegen. Dadurch, dass das Auto erst an einem Sensor und Sekundenbruchteile später am anderen vorbeifährt, erfasst das System, in welcher Richtung das Fahrzeug fährt. „Weil nur einer der Sensoren ständig aktiv ist, der das System nur bei Bedarf aufweckt, arbeitet es sehr energiesparend“, ergänzt Daniel Gillo. Auch unterscheidet es zweifelsfrei Autos von anderen Störungen. „Ein Mikrofon erfasst hierzu Geräusche – allein das der Reifen auf dem Asphalt genügt schon“, erläutert er. Das Zusammenspiel der Sensoren ist bereits ausgereift, in vielen Tests haben die Gründer die Anordnung und die Signalverarbeitung optimiert. Mit den neuen Massendaten vorbeifahrender Autos von der Autobahn, verfeinern sie jetzt die Algorithmen, also die Befehle, die dem System exakt sagen, was es wann tun soll.

Die Idee zu ihrer Erfindung kam den Studenten nach einer Vorlesung von Professor Helmut Seidel. An seinem Lehrstuhl forschten Daniel Gillo, Julian Neu und Benjamin Kirsch als studentische Mitarbeiter schon während ihres Studiums. Jetzt hat ihre neue Firma T-ProTex in einem Raum des Lehrstuhls ihr Büro. „Das ist für unseren Start der ideale Rahmen. Der ständige Austausch mit Professoren, Wissenschaftlern und Experten etwa von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer ist für uns Gold wert, von ihrem Know-how und ihrer Erfahrung profitieren wir sehr“, sagt Gründer Julian Neu.

Hintergrund

Mit ihrem Prototyp gewannen die Studenten 2016 den ersten Preis des Cosima-Studentenwettbewerbs in München. Ein Jahr später belegten sie beim internationalen Wettbewerb iCan in Peking den zweiten Platz. Im Juni 2017 erhielten sie den Deutschen Mobilitätspreis der Initiative „Deutschland – Land der Ideen“ und des Bundesverkehrsministeriums. Ebenfalls 2017 bewarben sie sich erfolgreich um ein EXIST-Gründerstipendium beim Bundeswirtschaftsministerium.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Zucker gefangen

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 23.08.2018

LMU-Chemiker haben ein künstliches Molekül entwickelt, das Zuckerbindungen erkennt und bindet.

Ein Team um Professor Ivan Huc, Leiter der Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU, hat eine künstliche molekulare Struktur in Form einer spiralförmigen Kapsel entwickelt und synthetisiert, die gezielt ein spezielles Zuckermolekül erkennen und „fangen“ kann: Xylobiose, wie herkömmlicher Zucker ein Disaccharid. Die Studie erscheint aktuell im Magazin Angewandte Chemie und wurde vom Herausgeber als „Very Important Paper“ ausgewählt – was nur weniger als fünf Prozent aller Veröffentlichungen des Journals vorbehalten ist.

Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur auf kleinster Ebene nach – als biomimetisch wird sein Ansatz daher bezeichnet. Bei der Synthese chemischer Stoffe lässt er sich von den Prinzipien inspirieren, die der Organisation von Biopolymeren zugrunde liegen: Biopolymere wie Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide bestehen typischerweise aus mehreren Untereinheiten, deren Sequenzen und räumliche Anordnung ihre strukturellen und funktionalen Eigenschaften festlegen. Ivan Huc kreiert künstliche Moleküle, Foldamere, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen. In der aktuellen Arbeit ging es Ivan Huc zusammen mit Mitarbeitern an der Universität Bordeaux, von wo er 2017 an die LMU wechselte, darum, mit diesem Ansatz ein Foldamer zu entwickeln, das gezielt Disaccharide bindet.

Dies ist dem Team bei Xylobiose gelungen. Wie die Analyse der Kristallstruktur zeigt, fängt das Foldamer das Disaccharid in einer spiralförmigen Kapsel ein und umhüllt es vollständig. Dabei geht das Disaccharid in axialer Position eine ungewöhnlich kompakte Konstellation ein: Zwischen dem gefangenen Zucker und der Kapselwand bildet sich ein dichtes Netz aus Wasserstoffbrücken. Damit dies gelingt, hat das Team den Rezeptor so gestaltet, dass die Kapsel etwas größer ist als nötig. Die vorliegende Arbeit zeigt, mit welcher Präzision sich „first principle design“, wie Ivan Huc seinen Ansatz nennt, realisieren lässt. “Es ist uns allein aufgrund der Erkenntnisse, die wir über die grundlegenden Prinzipien der Molekülerkennung und Faltung dieser Stoffe haben, gelungen, einen spezifischen Rezeptor zu entwickeln”, sagt Ivan Huc. In einem nächsten Schritt werden die Forscher versuchen, den Mechanismus auch in einem wässrigen Medium ablaufen zu lassen. Zudem planen sie, die spiralförmigen Rezeptoren zu Sensoren zu machen, zum Beispiel um Saccharide in lebenden Systemen bestimmen und darstellen zu können.

Originalpublikation:
Angewandte Chemie 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Wenn Schwefel spurlos verschwindet

Veröffentlicht am von

Pressemeldung der Universität Wien vom 16.08.2018

Neue einfache Reaktion, um „verwandte“ biologisch aktive Moleküle herzustellen

In vielen Naturprodukten und Medikamenten spielen Dicarbonyle eine wesentliche Rolle – die Herstellung einiger solcher Verbindungen ist aber eine Herausforderung. In ihrer aktuellen Studie ist es Nuno Maulide und seinen Mitarbeitern von der Fakultät für Chemie der Universität Wien gelungen, eine neue Syntheseroute für diese Moleküle zu entwickeln. Sie nutzen dazu oxidierte Schwefelverbindungen, ohne dass Schwefel selbst im Produkt auftaucht. Die Ergebnisse dazu erscheinen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift „Science“.

Wir benötigen ständig neue Moleküle: Innovative Medikamente müssen entworfen und getestet, funktionelle Materialen hergestellt werden – eine Aufgabe für organische ChemikerInnen. Diese analysieren zunächst die funktionellen Gruppen im Zielmolekül und wählen danach ihre Strategie, um eine neue Substanz zu synthetisieren.

Für manche Moleküle ist es nicht so einfach, eine passende Strategie zu finden, wenn die Abstände der Funktionalitäten nicht der „natürlichen“ Polarität der möglichen Ausgangsstoffe entsprechen. Das klassische Beispiel hierfür sind Verbindungen mit zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen (sogenannte „Carbonyl“-Gruppen), die durch vier Kohlenstoffe voneinander getrennt sind. „Diese sogenannten 1,4-Dicarbonylverbindungen sind wesentlich schwerer herzustellen als die entsprechenden 1,3- oder 1,5-Analoga, denn in diesen Fällen ist eine sogenannte „Umpolung“ eines der Reaktionspartner notwendig“, erklärt Nuno Maulide, Professor für Organische Synthese an der Fakultät für Chemie der Universität. Dies ist ein großes Manko, besonders da 1,4-Dicarbonyle in vielen Naturprodukten, Medikamenten und einer Reihe an medizinisch verwendeten Enzyminhibitoren vorkommen.

Nuno Maulide und seine Mitarbeiter vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien haben nun eine neue Syntheseroute für diese Moleküle entwickelt, bei der oxidierte Schwefelverbindungen, sogenannte Sulfoxide, als Reagenzien zum Einsatz kommen. „Wir machen uns mehrere Eigenschaften des Schwefels zunutze, ohne dass Schwefel selbst im unserem Produkt auftaucht“, erklärt Immo Klose, DOC-Stipendiat der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Co-Autor der Studie: „Diese Reaktion ist faszinierend: Es ist nicht auf den ersten Blick ersichtlich, wie aus den Ausgangsstoffen das Produkt entsteht“. In der Tat verlässt der Schwefel während der Reaktion das reaktive Zwischenprodukt, ChemikerInnen sprechen in diesem Fall von einer „traceless reaction“ („spurlosen Reaktion“).

Die Forscher konnten außerdem zeigen, dass jedes der vier möglichen Isomere selektiv durch die Wahl des richtigen Sulfoxids erhalten werden kann. „Unsere Sulfoxide haben zwei Wahlmöglichkeiten: den Schwefel und die beiden benachbarten Kohlenstoffe. Daraus ergeben sich vier mögliche Kombinationen“, erklärt Dainis Kaldre, ehemaliger Postdoc am Institut für Organische Chemie und Co-Erstautor. „Das Besondere ist, dass jede dieser vier Möglichkeiten zu einer anderen Konfiguration im Reaktionprodukt führt“, sagt Kaldre. Die Möglichkeit, alle Isomere mit derselben Methode herzustellen, macht diese Reaktion extrem nützlich und vielseitig.

Neue Wirkstoffmoleküle freigeschalten

„Die Vielfalt unserer Methode kann für eine enome Anzahl an neuen möglichen Wirkstoffbausteinen genutzt werden, die vorher nicht zugänglich waren“, erklärt Maulide. Für die aktuelle Publikation in Science stellte die Arbeitsgruppe um Maulide auf einfachem Wege Matrix-Metalloproteinase-Inhibitoren her. „Zuvor gab es keine gute Möglichkeit diese Verbindungen herzustellen; es war vor allem schwierig, eine bestimmte Konfiguration selektiv zu erhalten. Mit unserer Methode lassen sich alle vier möglichen Produkte nach Belieben herstellen“, freut sich Maulide.

Die reaktive Spezies, mit der die Sulfoxide zur den Produkten überführt werden, gehört zu den exotischen Zwischenstufen der „Vinylkationen“. Maulide erforscht diese im Rahmen des prestigeträchtigen ERC Consolidator Grants, der mit rund zwei Millionen Euro Forschungsgeld dotiert ist. „Es ist bemerkenswert, wie einfach Grundlagenforschung an exotischen Molekülen zu Durchbrüchen für unsere Gesellschaft führen kann“, so Maulide abschließend.

Originalpublikation:
Science, 2018.
„Stereodivergent synthesis of 1,4-dicarbonyls by traceless charge–accelerated sulfonium–rearrangement“: Dainis Kaldre, Immo Klose und Nuno Maulide.
DOI: 10.1126/science.aat5883

Externer Link: www.univie.ac.at

Die künstliche Plazenta im Labor

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 13.08.2018

Um wichtige Bio-Membranen besser zu verstehen, muss man zu neuen Methoden greifen: An der TU Wien stellte man mit 3D-Druck-Verfahren eine künstliche Plazentabarriere auf einem Chip her.

Die Plazenta hat eine wichtige und hochkomplizierte Aufgabe: Sie muss dafür sorgen, dass zwischen der Mutter und ihrem ungeborenen Kind wichtige Substanzen ausgetauscht werden und gleichzeitig anderen Substanzen der Durchgang versperrt wird. Längst hat man noch nicht vollständig verstanden, wovon die Durchlässigkeit der Plazenta abhängt – schließlich ist es kaum möglich, ihre Funktion am Menschen direkt zu untersuchen.

An der TU Wien stellte man daher nun ein künstliches Plazenta-Modell her, das dem natürlichen Vorbild sehr nahekommt: Mit speziell entwickelten lasergesteuerte 3D-Druck-Verfahren kann man aus Hydrogelen hochpräzise Formen herstellen, die dann mit Plazenta-Zellen besiedelt werden. Damit wird es nun möglich, wichtige Forschungsfragen zu klären, etwa über den Glucose-Austausch zwischen Mutter und Kind.

Komplexer Stoffaustausch zwischen Mutter und Kind

„Der Transport von Substanzen durch biologische Membranen spielt in verschiedenen Bereichen der Medizin eine wichtige Rolle“, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Etwa in der Blut-Hirn-Schranke, bei der Nahrungsaufnahme in Magen und Darm oder eben in der Plazenta.“

So gibt es etwa zahlreiche Studien darüber, dass sich Krankheiten der Mutter wie etwa Diabetes auf das ungeborene Kind auswirken können. Auch Bluthochdruck kann den Stofftransport zum Fetus beeinflussen. Auf welche Weise in solchen Fällen aber die vielen beteiligten Parameter zusammenspielen, konnte bisher kaum untersucht werden.

Spezialchip mit Bio-Trennwand aus dem 3D-Drucker

An der TU Wien arbeitet man daher daran, Organstrukturen auf kompakten Chips nachzubilden, um so wichtige Aspekte ihrer Funktion unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. „Unser Chip besteht aus zwei Bereichen – eine repräsentiert den Fötus, der andere die Mutter“, erklärt Denise Mandt, die im Rahmen ihrer Diplomarbeit an dem Projekt arbeitete. „Dazwischen stellen wir in einem speziellen 3D-Druck-Verfahren eine Trennwand her – die künstliche Plazentamembran.“

An solchen hochauflösenden 3D-Druck-Verfahren arbeitet man an der TU Wien seit Jahren mit großem Erfolg: Man verwendet Materialien, die mit Hilfe von Laserstrahlen zum Aushärten gebracht werden können. So kann man Punkt für Punkt mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich die gewünschten 3D-Strukturen herstellen. „In unserem Fall handelt es sich dabei um ein Hydrogel mit guter Bioverträglichkeit“, erklärt Aleksandr Ovsianikov. „Nach dem Vorbild der natürlichen Plazenta stellen wir eine Oberfläche mit kleinen, gewundenen Zotten her. Dort können sich dann Plazentazellen ansiedeln und eine Oberfläche erzeugen, die der natürlichen Plazenta sehr ähnlich ist.“

Das Organ auf dem Chip

„Die Organ-on-a-Chip Technologie ist ein revolutionärer Ansatz in der Biomedizin, der in den letzten Jahren großes Interesse in der klinischen Diagnostik, Biotechnologie und Pharmazie erzeugt hat“, sagt Prof. Peter Ertl, Leiter der Cell-Chip-Forschungsgruppe, die maßgeblich an dem Projekt beteiligt war. „Die Erzeugung von humanen Miniorganen am Chip soll dazu führen, dass patientenspezifische Therapieansätze entwickelt werden können, und stellt außerdem auch eine wichtige Methode für den Ersatz von Tierversuchen dar.“

Am Chip können wichtige biologische Parameter wie Druck, Temperatur, Geometrie und Nährstoffversorgung der Miniorgane sowie die Zugabe von Medikamenten genau kontrolliert werden. So wird es möglich, Krankheitsverläufe und Heilungsraten genau zu beobachten.

In ersten Tests konnte bereits gezeigt werden, dass sich die künstliche Plazenta am Chip tatsächlich ähnlich wie eine natürliche Plazenta verhält: Kleine Moleküle werden durchgelassen, große werden aufgehalten. Nun soll das Modell verwendet werden, um gezielt wichtige Aspekte des Nährstofftransports von der Mutter zum Fötus zu untersuchen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
D. Mandt et al., Fabrication of placental barrier structures within a microfluidic device utilizing two-photon polymerization, International Journal of Bioprinting, 4,2 (2018).

Externer Link: www.tuwien.ac.at