Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 19.01.2017

Forscher des KIT kehren Hall-Koeffizienten um – Struktur mittelalterlicher Kettenpanzer gab Anstoß für Metamaterial mit neuartigen Eigenschaften

Das Mittelalter hat den Ruf einer nicht wissenschaftsfreundlichen Zeit: Wer abseits ausgetretener Pfade nach neuen Erkenntnissen suchte, konnte sich auf dem Scheiterhaufen widerfinden. So gilt der Beitrag der Epoche zum technischen Fortschritt als überschaubar. Doch jetzt haben sich Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) bei der Herstellung eines neuen Metamaterials mit neuartigen Eigenschaften von mittelalterlichen Kettenhemden inspirieren lassen. Es ist ihnen so gelungen, den Hall-Koeffizienten eines Materials umzukehren.

Der Hall-Effekt beschreibt das Auftreten einer querverlaufenden elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter, wenn sich dieser in einem Magnetfeld befindet. Der Effekt, der zum Grundstoff des Physikstudiums gehört, bietet somit eine einfache Möglichkeit, die Stärke von Magnetfeldern zu messen. Er bildet die Grundlage magnetischer Sensoren in Autos, etwa bei Drehzahlsensoren, oder der Kompasse in Smartphones. Neben der Messung von Magnetfeldern kann der Hall-Effekt aber auch zur Charakterisierung von Metallen und Halbleitern eingesetzt werden. So kann zum Beispiel die Ladungsträgerdichte des Materials bestimmt werden. Insbesondere kann aus dem Vorzeichen der gemessenen Hall-Spannung  darauf geschlossen werden, ob die Ladungsträger im Element, aus dem der Halbleiter besteht, positive oder negative Ladung tragen.

Dass es möglich sei, den Hall-Koeffizienten eines Materials (wie etwa Gold oder Silizium) umzukehren – also sein Vorzeichen zu drehen –, hatten Mathematiker theoretisch vorhergesagt. Gelingen sollte dies mittels einer kettenhemdähnlichen dreidimensionalen Ringstruktur, die Ähnlichkeiten mit einem historischen Kettenpanzer aufweist. Das Vorhaben aber tatsächlich zu realisieren, galt bislang als zu anspruchsvoll, da das millionstel-meter-kleine Ringgeflecht dazu aus drei verschiedenen Komponenten hätte zusammengesetzt werden müssen.

Christian Kern, Muamer Kadic und Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik am KIT fanden nun heraus, dass ein einziges Grundmaterial ausreicht, wenn die gewählte Ringstruktur einer bestimmten geometrischen Anordnung folgt. Zunächst stellten sie mi einem höchstauflösenden 3-D-Drucker Polymergerüste her, die sie anschließend mit dem Halbleiter Zinkoxid beschichteten.

Das Ergebnis des Experiments: Sie können nun Metamaterialien herstellen, deren Koeffizient positiv ist, selbst wenn deren Komponenten einen negativen Koeffizienten haben. Das klingt fast ein wenig nach Stein der Weisen, jener Formel, mit deren Hilfe die mittelalterlichen Alchemisten eine Substanz in eine andere zu verwandeln trachteten. Irgendeine Verwandlung allerdings findet hier nicht statt: „Die Ladungsträger im Metamaterial sind nach wie vor negativ geladene Elektronen“, erklärt Christian Kern. „Es verhält sich in Hall-Messungen lediglich so, als wären diese positiv geladen, da sie durch die Struktur auf Umwege gezwungen werden.“

Einen praktischen Nutzen habe die Entdeckung bislang nicht, so Kern. Denn Feststoffe sowohl mit negativem als auch positivem Hall-Koeffizienten gibt es in ausreichendem Maße. Doch Kern möchte weiter forschen: Der nächste Schritt sei die Herstellung anisotroper Strukturen, in denen eine Hallspannung in Magnetfeldrichtung – nicht wie normalerweise senkrecht zu Strom- und Magnetfeldrichtung – auftritt. Derartige Materialien könnten Anwendung in neuartigen Sensoren zur direkten Messung von Wirbeln in Magnetfeldern finden. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

Presseaussendung der TU Wien vom 19.01.2017

Neurotransmitter-Transporter gehören zu den begehrtesten Transportproteinen in der Forschung, kommt ihnen doch eine zentrale Rolle in der Signalverarbeitung im Gehirn zu. Eine gemeinsame Studie der TU Wien und der Medizinischen Universität Wien konnte nun erstmals zeigen, welchen strukturellen Einfluss Membranlipide auf den medizinisch relevanten Serotonin-Transporter haben.

Die Membran einer Zelle besteht aus einer Lipid-Doppelschicht. Lipide sind gute chemische und elektrische Isolatoren, die Zellinneres von Zelläußerem ideal separieren können. Membranen beherbergen aber auch eine Vielzahl von Proteinen, von denen einige den geregelten Austausch von Substanzen über die Membran hinweg regulieren. Die meisten Proteine können sich innerhalb der Lipidschichten frei bewegen, sind aber erstaunlicherweise oft in Gruppen anzutreffen. Dabei kann die Bindung von Proteinen aneinander starr und dauerhaft sein; oder Proteinmoleküle treffen sich, trennen sich und fügen sich in anderer Konstellation wieder zusammen. Das Forschungsinteresse der an der Studie beteiligten Gruppen von Prof. Gerhard Schütz vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien und von Prof. Harald Sitte vom Institut für Pharmakologie der MedUni Wien liegt darin, wie solche Interaktionen funktionieren, was weiteren Aufschluss über die Funktionsweise der Zellmembran und der in ihnen eingebetteten Membranproteine geben könnte.

Moleküle zählen durch Licht

Proteinmoleküle sind wegen ihrer Größe nicht mit freiem Auge beobachtbar, weshalb man ihnen mit dem Mikroskop folgen muss. Allerdings ist die Herausforderung dabei, genau jene Proteine, die für die jeweilige Fragestellung interessant sind, aus einer großen Anzahl an anderen Proteinen einer Zelle herauszufiltern. „Gemeinsam mit Prof. Harald Sitte von der Medizinischen Universität Wien interessiert uns derzeit besonders der Serotonin-Transporter (SERT), ein Protein, das für die Aufnahme des Neurotransmitters Serotonin im Gehirn wichtig ist. Um es unter dem Mikroskop beobachten zu können, wird es mit Hilfe eines fluoreszierenden Biomoleküls, eines ‚green fluorenscent protein‘ (GFP), markiert“, erklärt Prof. Schütz. Dabei wird das GFP molekularbiologisch mit dem SERT verknüpft, wie ein farbiger Luftballon. „Durch die Methode der ‘Single Molecule Microscopy‘ können wir aus der Signalstärke der beobachteten Lichtpunkte feststellen, ob  sich das betreffende Molekül allein oder mit einem anderen Molekül seiner Art bewegt.“

Als Biophysiker interessiert Schütz nicht nur, dass sich die Proteine gemeinsam bewegen, sondern auch warum die beiden Moleküle zusammenkleben, also wie die zugrunde liegenden Interaktionsmechanismen funktionieren. Ein zentrales Signalmolekül ist PIP2 (Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat), das überwiegend auf der dem Zellinneren zugewandten Zellmembran-Seite vorkommt. Es dockt perfekt an den SERT an, mit erstaunlichen Konsequenzen. Ist nur eine niedrige Konzentration an PiIP2 verfügbar, so verhält sich die Oligomerisierung des SERT wie erwartet: niedrige SERT-Konzentrationen ergeben vor allem Monomere, hohe Konzentrationen führen zur Formierung von Oligomeren. „Nicht nur, dass wir eine große Anzahl an Oligomeren sehen, wir wissen auch, dass sie gegenseitig Moleküle austauschen“, beschreibt Schütz seine Forschungsarbeit. Ist jedoch das Angebot an PIP2 hoch, so bilden sich im Mittel immer gleich große Oligomere aus, unabhängig von der SERT-Konzentration. „Es ist, als ob die SERT-Proteine in einer voreingestellten Anordnung arretiert wären.“

Der Clusterbildung auf der Spur

Um den Mechanismen dieser erstaunlichen Oligomerbildung auf die Spur zu kommen, muss man ins Innere der Zelle vorstoßen. Ein Zellbereich namens Endoplasmatisches Reticulum fungiert als jener Ort, an dem alle Membranproteine – also auch SERT – hergestellt werden. Es ist de facto PIP2-frei, dort sollte SERT also unterschiedliche Oligomerisierungsgrade aufweisen, je nach SERT- Konzentration. Das wurde auch in der Tat beobachtet. „Wir vermuten, dass SERT nach seiner Herstellung im Endoplasmatischen Reticulum oligomerisiert, dieser Prozess zunächst aber reversibel ist. Erst wenn das Protein an der Zellmembran ankommt, wird der voreingestellte Oligomerisierungsgrad durch PIP2 arretiert“, sagt Schütz. „Die Beobachtungen werden durch gezielte Änderungen der Proteinstruktur bestätigt, die wir am Serotonin-Transporter eingefügt haben“, so Sitte. „Die Position der Punktmutationen konnten wir durch Computermodelle sehr gut bestimmen, die Dr. Thomas Stockner im Rahmen dieser Studie erstellt hat. Die mutierten SERT-Moleküle zeigen ein Verhalten, das die Arretierung nahezu komplett verhindert. Und die medizinische Relevanz unserer Beobachtung liegt in der Bedeutung der Oligomerisierung für die Wirkweise verschiedener Psychostimulantien, wie z.B. der Amphetamine: diese können nur dann wirken, wenn ausreichend miteinander verbundene SERT-Moleküle in der Membran vorgefunden werden.“

Diese Studie entstand im Rahmen des vom Fond zur Förderung von Wissenschaft und Forschung (FWF) geförderten Spezialforschungsbereichs F35 „Transmembrane Transporters in Health and Disease“, der vor allem Wissenschaftler_innen der Medizinischen Universität Wien umfasst. Koautor der Studie und Sprecher des SFB ist Pharmakologe Harald Sitte, der sich seit vielen Jahren mit der Funktionsweise von SERT und anderen Transporterproteinen, sowie deren Modulation durch Psychopharmaka interessiert. (Christine Cimzar-Egger)

Originalpublikation:
Anderluh, A. et al.
Direct PIP2 binding mediates stable oligomer formation of the serotonin transporter.
Nat. Commun. 7, 14089 | DOI: 10.1038/ncomms14089 (2016)

Externer Link: www.tuwien.ac.at