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Bakterielle Nano-Harpune funktioniert wie Power-Bohrer

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 25.09.2017

Um sich unliebsamer Konkurrenten zu entledigen, bedienen sich einige Bakterien einer ausgeklügelten Waffe – der Nanoharpune. Forscher vom Biozentrum der Universität Basel haben nun ganz neue Einblicke in deren Bau, die Funktionsweise sowie das Recycling gewonnen. Wie sie im Fachblatt «Nature Microbiology» berichten, bohrt sich die Nanoharpune in wenigen Tausendstelsekunden in die Zellwand der Nachbarzelle und injiziert dort einen Giftcocktail.

Dicht an dicht drängeln sich Millionen winziger Mikroben auf Blättern, Steinen oder unserer Haut. Und beinahe überall müssen sie um Ressourcen und Nährstoffe wetteifern. Im Laufe der Evolution haben daher einige Bakterien eine Waffe entwickelt, mit der sie ihren Konkurrenten und Gegnern in der Umgebung einen Giftcocktail injizieren und sie so ausschalten. In der Fachwelt wird dieser einer Harpune ähnelnden Waffe auch als Typ 6 Sekretionssystem (T6SS) bezeichnet.

Bereits vor zwei Jahren gelang es Prof. Marek Basler den atomaren Aufbau der Nanoharpune im «abgefeuerten» Zustand aufzuklären. In der aktuellen Studie, die in Zusammenarbeit mit verschiedenen Forschungsgruppen und Technologieplattformen am Biozentrum entstand, legte das Team nun erstmals die Struktur der Nanoharpune im «abschussbereiten» Zustand offen. Anhand dieser Erkenntnisse konnten die Forscher nun zeigen, wie die T6SS-Harpune im Detail funktioniert.

Struktur der Nanoharpune verändert sich beim Abfeuern

Die Harpune ist aus verschiedenen Bauteilen aufgebaut, dazu gehören eine äussere Hülle und ein Speer mit einer scharfen Spitze. Die Hülle selbst besteht aus über 200 zahnradartigen Proteinringen, die sich um den starren Speer herumwinden. Beim Abfeuern des T6SS zieht sich die Hülle zusammen und stösst dabei den Giftspeer aus der Zelle heraus. Dieser dringt in die benachbarten Zellen ein und setzt dort tödliche Toxine frei. «Bis jetzt gab es nur Vermutungen darüber, wie sich die Struktur der T6SS-Hülle bei der Kontraktion verändert», sagt Basler. «Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie, die am C-CINA durchgeführt wurde, erhielten wir nun erstmals von der gedehnten Hüllstruktur ein Bild in atomarer Auflösung.»

Durch den Vergleich der Strukturen im gedehnten und kontrahierten Zustand konnten die Forscher am Rechner modellieren, wie das T6SS genau funktioniert. «Beim Zusammenziehen der Hülle, verdreht sich Ring für Ring. Dadurch wird der Abstand zum vorherigen Ring kleiner, der Durchmesser nimmt zu und der Speer wird freigelegt», erklärt Basler. «Die Kombination aus Schrumpfen und Drehen führt dazu, dass der Speer ein Loch in die Zielzelle bohrt. Innerhalb von weniger als zwei Millisekunden zieht sich die T6SS-Hülle auf die Hälfte ihrer Länge zusammen und schraubt gleichzeitig den Giftspeer heraus. Die Bakterien verfügen demnach über einen extrem leistungsfähigen Bohrer.»

Nur kontrahierte T6SS-Hülle wird demontiert

Darüber hinaus beschäftigte die Forscher eine weitere Frage. Einige Bakterien verwenden nach dem Abfeuern der Harpune einzelne Bauteile der Hülle für den Bau einer neuen Harpune. «Uns war lange Zeit nicht klar, warum nur die kontrahierte, nicht aber die gedehnte Hüllstruktur demontiert wird», sagt Basler. «Jetzt konnten wir sehen, dass aus der Oberfläche der kontrahierten Hülle ein Proteinabschnitt herausragt, der von einem Protein erkannt wird, der dieses Bauteil in seine Einzelteile zerlegt. Im gedehnten Zustand der Nanoharpune ist dieser Abschnitt jedoch versteckt und die T6SS-Hülle so vor der Demontage geschützt.»

Auch zukünftig soll die Nano-Harpune der Bakterien weiter Gegenstand der Forschung sein. «Eines unserer Projekte widmet sich der Frage, wie das T6SS in der Bakterienhülle befestigt ist. Wenn die Harpune mit so einer Wucht abgefeuert wird, dann muss diese sehr fest verankert sein, ansonsten würde die Waffe nicht einwandfrei funktionieren oder deren Abschuss könnte für den Waffenträger selbst tödlich enden.»

Originalbeitrag:
Jing Wang, Maximilian Brackmann, Daniel Castaño-Díez, Mikhail Kudryashev, Kenneth N. Goldie, Timm Maier, Henning Stahlberg and Marek Basler
Cryo-EM structure of the extended type VI secretion system sheath-tube complex
Nature Microbiology (2017), doi: 10.1038/s41564-017-0020-7

Externer Link: www.unibas.ch

Blindenschrift für die Westentasche

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Presseaussendung der TU Wien vom 20.09.2017

Ein völlig neuartiges Braille-Display wurde von Tetragon, einem TU Wien-Spin-Off, erfunden. Es ist einfach, kosteneffizient und problemlos zu transportieren.

Die Braille-Schrift hat sich seit vielen Jahrzehnten bestens bewährt. Doch noch immer ist die Braille-Schrift nicht wirklich im Computerzeitalter angekommen. Braille-Displays sind teuer, kompliziert und sperrig. Das österreichische Startup-Unternehmen Tetragon, ein Spin-off der TU Wien, entwickelte nun aber ein völlig neues Konzept: Das Tetragon-Display besteht aus einem Ring, an dessen Innenseite Buchstaben in Braille-Schrift angezeigt und ertastet werden können. Dieser Ring ist technisch verhältnismäßig einfach, er passt in jede Jackentasche und er soll deutlich preisgünstiger sein als bisher verfügbare Produkte.

Verschiedene Ideen mit verschiedenen Nachteilen

Prof. Wolfgang Zagler beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Technologien, die älteren oder körperlich beeinträchtigten Menschen helfen sollen. „Seit Jahrzehnten weiß man, dass die Frage nach dem optimalen Braille-Display nicht zufriedenstellend gelöst ist“, sagt Zagler. „Es gab immer wieder verschiedene Ansätze – mit elektromagnetisch gesteuerten beweglichen Stiften, mit Piezoelementen und anderen Technologien, aber all diese Konzepte hatten ihre Nachteile.“ Manche Displays haben einen hohen Stromverbrauch oder eine recht begrenzte Haltbarkeit, sie sind allenfalls für den Einsatz im Büro geeignet aber nicht transportabel, sie sind technisch kompliziert und daher meist sehr teuer.

„Natürlich gibt es heute Sprachausgabe-Software, mit der man sich Texte vorlesen lassen kann – aber das ist kein vollwertiger Ersatz“, ist Wolfgang Zagler überzeugt. „Lesen ist schließlich eine wichtige Kulturtechnik, es ist unverzichtbar, dass blinde Menschen auch in Zukunft mit der Braille-Schrift vertraut sind. Wir wollen einen Beitrag dafür leisten, dass die Braille-Schrift den Schritt ins Zeitalter der mobilen Computer schafft.“

Die Lösung: Ein beweglicher Ring

Gemeinsam mit Michael Treml und Dominik Busse, zwei seiner ehemaligen Studenten, entwickelte Wolfgang Zagler eine völlig neue Idee: Die Blindenschrift soll nicht mehr auf einer unbeweglichen Zeile angezeigt werden. Stattdessen tastet man das Innere eines drehbaren Rings ab. „Ähnlich wie eine Computermaus kann man den Ring anfassen und über die Tischoberfläche ziehen“, erklärt Zagler. „Der Zeigefinger befindet sich dabei im Inneren des Ringes, und dort ertastet man die Buchstaben, die bei jeder Umdrehung des Rings neu gebildet werden. So entsteht beim Lesen der Eindruck einer unendlich langen Zeile.“

Die sechs tastbaren Punkte, aus denen in der Braille-Schrift jeder Buchstabe aufgebaut ist, wurden in drei Zweiergruppen zerlegt. „Für jede Zweiergruppe gibt es vier Möglichkeiten: Zwei Punkte, ein Punkt links, ein Punkt rechts, oder gar kein Punkt“, erklärt Wolfgang Zagler. „Diese vier Möglichkeiten werden auf den vier Seiten eines Quaders aufgebracht. Während sich diese Quader auf der Innenseite des Rings im Kreis bewegen, können sie nach Belieben verdreht werden, sodass für den nächsten Ablesevorgang aus drei Quadern der gewünschte Buchstabe angezeigt wird.“

Dieser einfache Ansatz – die Drehung von Quadern – ist viel einfacher zu realisieren als die Anzeige von Braille-Buchstaben durch bewegliche Stifte. Dadurch wird das Display robust und wenig fehleranfällig. Durch die ringförmige Konstruktion ist eine kompakte Bauweise möglich, und man kann das Gerät problemlos mit sich tragen.

„Das Konzept ist bereits patentiert, wir bereiten derzeit eine Firmengründung vor“, sagt Wolfgang Zagler, der nach 45 Jahren an der TU Wien nun seit 2016 als Professor pensioniert ist – was seinen Forschergeist offensichtlich nicht gebremst hat. „Einige wichtige Fragen sind noch zu klären – etwa, welche Materialien man am besten wählt, wie man Aktuatoren mit möglichst geringem Stromverbrauch einsetzt und welche ergonomischen und haptischen Eigenschaften am angenehmsten sind. Doch all das sollte sich in den nächsten Monaten beantworten lassen.“

Der Preis des fertigen Geräts steht noch nicht fest, das Tetragon-Display soll aber deutlich billiger werden als bisher verfügbare Produkte: „Wir wollen das Display um den Preis eines Smartphones anbieten – da sind wir sehr zuversichtlich“, sagt Zagler. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Unter Beobachtung

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Presseinformation der LMU München vom 18.09.2017

Auf dem Weg zu smarten Nanomaschinen: LMU-Chemiker haben eine neue Synthese entwickelt, um die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen und so seinen Mechanismus genau analysieren zu können.

LMU-Chemiker um Dr. Henry Dube haben eine Methode entwickelt, die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen. „In unserer Arbeit haben wir die Geschwindigkeit unseres molekularen Motors soweit reduziert, dass wir seine lichtgetriebene gerichtete Rotationsbewegung nun genau nachverfolgen können“, sagt Dube, der eine Emmy-Noether-Gruppe leitet. Die Ergebnisse erscheinen im Journal Angewandte Chemie.

Der neue molekulare Schalter basiert wie ein von Dube bereits 2015 in Nature Communications beschriebener Motor auf dem Molekül Hemithioindigo, das eine Kohlenstoff-Doppelbindung hat. Bei Lichteinfluss verändert das Molekül seine Struktur und rotiert um seine Doppelbindung in eine Richtung. Dabei reicht weniger energiereiches Licht aus als es bei den meisten molekularen Motoren nötig ist, sodass der molekulare Motor aus Dubes Labor flexibler eingesetzt werden kann. Um die Drehung zu verlangsamen, haben Dube und sein Team nun eine neue Synthese entwickelt, die in fünf Schritten zum Hemithioindigo-Motor führt. Die neue Synthese ermöglicht es, große Reste in die Struktur einzufügen, die zu einer langsameren Drehung führen. So lassen sich alle vier Zwischenprodukte beobachten und damit die gerichtete Drehung des Motors beweisen.

Die Forschung von Henry Dube ist wesentlich für die Entwicklung molekularer Bauteile für sogenannte Nanomaschinen, künstliche Maschinen in der Größenordnung von Molekülen. Je genauer sich deren Bestandteile im Labor kontrollieren lassen, desto mehr Funktionen können sie ausführen. Die Möglichkeit, die Drehung des Hemithioindigo-Motors zu verlangsamen, macht ihn nun interessant für die Anwendung in der Katalyse oder auch für die Entwicklung von „smart materials“, intelligenten Werkstoffen, die sich gezielt steuern lassen.

Publikation:
Angewandte Chemie International Edition 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Brain Composer: Melodien auf das Notenblatt „denken“

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Pressemeldung der TU Graz vom 06.09.2017

Forschende der TU Graz entwickeln neue Brain-Computer-Interface-Anwendung, mit der sich durch Gedankenkraft Musik komponieren lässt. Wie das funktioniert, zeigen sie aktuell im Fachjournal PLOS ONE.

Gehirn-Computer-Schnittstellen, kurz BCIs, ersetzen ein Stück weit körperliche Funktionen: Körperlich beeinträchtigte Menschen können dank BCI-Technologie spezielle Prothesen über ihre Gedanken steuern, im Internet surfen oder E-Mails schreiben.

Unter dem Titel „Brain Composer“ zeigt eine Gruppe rund um den BCI-Experten Gernot Müller-Putz vom Institut für Neurotechnologie der TU Graz, dass auch andere Töne auf der Klaviatur der Brain-Computer-Interfaces erklingen können. Aus einer etablierten BCI-Methode, die hauptsächlich zum Buchstabieren, also Schreiben, mittels BCI dient, hat das Team eine neue Anwendung entwickelt, mit der sich Musik rein durch Gedankenkraft komponieren und aufs Notenblatt übertragen lässt. Alles, was es dazu braucht, ist eine spezielle Haube, die die Gehirnströme misst, das adaptierte BCI, eine Kompositionssoftware und freilich ein bisschen musikalisches Vorwissen. Das Grundprinzip der verwendeten BCI-Methode namens P300 ist rasch beschrieben: Verschiedene Optionen, etwa Buchstaben oder in dem Fall Noten, Pausen, Akkorde und Co. blitzen rasch nacheinander in einer Tabelle auf. Wer trainiert ist und sich auf die gewünschte Option fokussiert, während diese aufleuchtet, verursacht damit eine minimale Änderung der Gehirnströme. Das BCI erkennt diese Änderung und zieht daraus Rückschlüsse auf die gewählte Option.

Musikalische Testpersonen

Melodien auf ein Notenblatt „denken“ durften 18 Testpersonen, die Gernot Müller-Putz, Andreas Pinegger und Selina C. Wriessnegger vom TU Graz-Institut für Neurotechnologie sowie Hannah Hiebel, mittlerweile Institut für Allgemeine Psychologie der Karl-Franzens-Universität Graz, für ihre Studie ausgewählt haben. Alle Testpersonen waren in der Studienphase körperlich gesund und hatten ein gewisses musikalisches und kompositorisches Grundwissen, indem sie etwa selbst Instrumente spielen. Unter den Testpersonen war auch der 2016 verstorbene Grazer Komponist und Klarinettist Franz Cibulka. „Die Ergebnisse der BCI-Kompositionen können sich wirklich hören lassen. Und was noch wichtiger ist: Die Testpersonen hatten daran Freude. Schon nach einem kurzen Training konnten alle drauf los komponieren und ihre Melodien am Notenblatt sehen und dann auch spielen. Die sehr positiven Studienresultate mit körperlich gesunden Testpersonen sind der erste Schritt zur möglichen Erweiterung der BCI-Komposition für Patientinnen und Patienten.“, betont Müller-Putz.

„Nebenschauplatz“ der BCI-Forschung

Diese „Spielerei“, eher ein Nebenschauplatz der regen, auf körperlich beeinträchtigte Personen konzentrierten BCI-Forschung an der TU Graz, zeigt, in welche Richtungen es noch gehen kann. Es gibt mittlerweile erste Ansätze von BCI-Systemen auf dem Smartphone. Damit ließen sich BCI-Anwendungen leichter unter die Leute bringen, denn das Smartphone wird als leistungsfähiger Computer selbst Teil des BCI-Systems. Denkbar sind dann beispielsweise BCI-Apps, die Hirnsignale für unterschiedlichste Anwendungen analysieren können. „Vor 20 Jahren war die Vision, mit Gedankenkraft ein Musikstück zu komponieren, unvorstellbar. Jetzt sind wir soweit, und haben gleichzeitigt zig neue, andere Visionen, die teilweise noch weit entfernt von der Realität sind. Es dauert zwar noch, bis das reif für Alltagsanwendungen sein wird. Die BCI-Community arbeitet in vielen Richtungen mit Hochdruck.“, so Müller-Putz. (Susanne Eigner)

Originalpublikation:
“Composing only by thought: Novel application of the P300 brain-computer interface”. Andreas Pinegger, Hannah Hiebel, Selina C. Wriessnegger, Gernot R. Müller-Putz. PLOS ONE, 6. September 2017.

Externer Link: www.tugraz.at

Markierte Zellen als Fenster in den Körper

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 05.09.2017

Tübinger Forscher entwickeln Verfahren, das Zellen in Mäusen gezielt sichtbar macht und helfen könnte, Tierversuche zu reduzieren

Eine neue und besonders zuverlässige Methode zur Markierung von Zellen kann Forschungen zu Krankheiten wie Herzinfarkt, Diabetes oder Alzheimer vereinfachen und den Einsatz von Versuchstieren reduzieren: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Tübingen haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie bestimmte Zelltypen in Mäusen gezielt markieren und ihr Verhalten durch Positronen-Emissions-Tomografie (PET) verfolgen können. Mit dem „PET-basierten Cell Tracking“ kann man komplexe Lebensprozesse im Körper beobachten, ohne die Versuchstiere mit invasiven Methoden zu belasten.

„Die Möglichkeit, das Verhalten ausgewählter Zellpopulationen im lebenden Tier nichtinvasiv und in Aktion zu beobachten, eröffnet neue Wege für die Erforschung, Erkennung und Behandlung von Krankheiten. Gleichzeitig reduziert sie die Belastung und Anzahl der Versuchstiere gegenüber bisherigen Methoden“, erklärt Professor Robert Feil. Er und sein Team vom Interfakultären Institut für Biochemie (IFIB) der Universität Tübingen führten die Studie gemeinsam mit dem Werner Siemens Imaging Center und den Abteilungen für Kardiologie, Pathologie und Physiologie des Universitätsklinikums Tübingen sowie der Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Münster durch. Ihre Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Gewebe und Organe bestehen aus vielen verschiedenen Zelltypen, wie Blut-, Knochen-, Leber-, Muskel- oder Nervenzellen. Die Wanderung und/oder Veränderung der Anzahl bestimmter Zelltypen ist ein normaler Körperprozess, aber auch Merkmal zahlreicher Krankheiten. Zum Beispiel führt die Vermehrung und Migration von Immunzellen zu Entzündungen, unkontrolliertes Zellwachstum löst Krebs oder Arteriosklerose aus und der Verlust bestimmter Zellpopulationen ist die Ursache für Diabetes mellitus oder Alzheimer-Demenz. Diese Vorgänge beruhen auf komplexen Interaktionen verschiedenster Zelltypen. Um sie zu verstehen, muss der gesamte Organismus in den Blick genommen werden.

Die neue Methode „PET-basiertes Cell Tracking“ beruht auf einem künstlichen PET-Reporter-Enzym, das durch einen genetischen Trick in jedem Zelltyp der Maus gebildet werden kann (beispielsweise nur in T-Zellen des Immunsystems). Das Enzym bewirkt, dass sich in diesen spezifischen Zellen eine radioaktive Substanz, der sogenannte PET-Tracer, ansammelt. Die für das Tier ungefährliche radioaktive Strahlung wird in einem Positronen-Emissions-Tomografen erkannt und am Bildschirm sichtbar gemacht. Die PET wird schon lange auch bei Menschen eingesetzt. Als nichtinvasives Verfahren belastet sie den Organismus weniger als viele andere Untersuchungsmöglichkeiten.

Zur Analyse des Zellverhaltens in Mäusen wurden bisher meist Verfahren verwendet, die nur für wenige Zelltypen in Frage kamen, sehr belastende Untersuchungen nötig machten oder die Tötung der Versuchstiere erforderten. „Durch den Einsatz moderner Bildgebungsmethoden können wir eine Verringerung der Versuchstierzahl um bis zu 80 Prozent erreichen“, sagt Dr. Martin Thunemann, Erstautor der Studie, der mittlerweile an der University of California in San Diego forscht. „Die markierten Zellpopulationen können mit unserer Methode nichtinvasiv in lebenden Mäusen über viele Wochen verfolgt werden, sodass die gleiche Gruppe von Tieren wiederholt untersucht werden kann.“ In der Studie markierten die Autoren Blutplättchen, Herzmuskelzellen oder T-Zellen in Versuchsmäusen und verfolgten dann ihr Verhalten bei Herzinfarkt oder Entzündungsreaktionen.

Das neu entwickelte bildgebende Reportersystem könne zur Darstellung jedes beliebigen Zelltyps verwendet und mit beliebigen Krankheitsmodellen kombiniert werden, erklärt Feil. Es komme daher für viele Anwendungen in der biomedizinischen Grundlagenforschung sowie zur Untersuchung von Krankheiten in Frage. „Denkbar ist unter anderem die nichtinvasive Analyse von Herzkrankheiten, Diabetes, Entzündungen sowie Tumorbildung und Metastasierung. Außerdem könnte man in der regenerativen Medizin die Entwicklung transplantierter Zellen verfolgen. Auch für die Pharmaindustrie ist die Technik interessant, um neue Wirkstoffe und Behandlungsmethoden zu testen.“

Die Arbeit der Forscherinnen und Forscher zum „PET-basiertem Cell Tracking“ passt sich in die „Tübinger Grundsätze zu Tierschutz und Tierversuchen“ ein. In ihnen legt die Universität verbindliche Regeln und Zielvorgaben für einen verantwortungsvollen Umgang mit Tierversuchen fest und fördert die Forschung an neuen Methoden. Auch wenn die Alternativen inzwischen erheblich verbessert wurden, können die Lebenswissenschaften in absehbarer Zeit nicht vollständig auf Tierversuche verzichten. Für die Forschung am komplexen Zusammenspiel von Zellen, Geweben und Organen im Gesamtorganismus sowie an neuen Wirkstoffen und Behandlungsmethoden werden weiterhin Tierversuche notwendig sein. Daher ist es wichtig, die Untersuchungsmethoden so zu optimieren, dass die Anzahl und Belastung der Versuchstiere verringert wird. Es müssen Verfahren entwickelt werden, die die Quantität und Qualität der pro Tier erhobenen Daten erhöhen und deren Ergebnisse leicht auf den Menschen übertragbar sind.

Publikation:
Thunemann M, Schörg BF, Feil S, Lin Y, Voelkl J, Golla M, Vachaviolos A, Kohlhofer U, Quintanilla-Martinez L, Olbrich M, Ehrlichmann W, Reischl G, Griessinger CM, Langer HF, Gawaz M, Lang F, Schäfers M, Kneilling M, Pichler BJ, Feil R. Cre/lox-assisted non-invasive in vivo tracking of specific cell populations by positron emission tomography. Nature Communications. 2017; DOI: 10.1038/s41467-017-00482-y

Externer Link: www.uni-tuebingen.de