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Der TecDAX der Deutschen Börse AG gab im Oktober 2016 um circa 4% nach.
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Auf Monatsbasis nach drei positiven Monaten somit nun ein negativer Monat.
Archiv des Autors: PaulWutz
Baukasten für Designer-Proteine
Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.10.2016
Wissenschaftler des KIT entwickeln in einer internationalen Kooperation eine Methode, um hochentwickelte Proteine im Großmaßstab für Pharmazie und Biotechnologie herzustellen
Proteine sind einer der wichtigsten Bestandteile eines jeden lebenden Organismus und für mannigfaltige Aufgaben in Bio-systemen zuständig: Wie Hebel und Zahnräder bei Maschinen steuern, veranlassen und unterstützen sie biologische Aktivitäten und Funktionen innerhalb der Zelle. In der Medizin werden Proteine als Antikörper in der Impfstoffentwicklung benötigt. Eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit ist es, neuartige Impfstoffe gegen Krebserkrankungen zu entwickeln. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben zusammen mit internationalen Forschungspartnern eine Methode etabliert, um genetisch gezielt veränderte Proteine in größerem Maßstab herzustellen. Die schnelle Herstellung der Designer-Eiweißbausteine könnte neue Anwendungen in der Biotechnik und Pharmazie ermöglichen. Ihren Ansatz stellen die Forscher in „Nature Methods“ vor. (DOI: 10.1038/nmeth.4032)
„Proteine sind für alle lebenden Organismen wichtige Bausteine“, sagt Stefan Bräse, Professor am Institut für Organische Chemie und Direktor am Institut für Toxikologie und Genetik des KIT. „Zellen, Muskeln, Organe enthalten Proteine. Komplexe Proteinsysteme (de-)codieren die genetische Information der DNA, um wiederum weitere Proteine mit unterschiedlichsten Aufgaben zu erzeugen.“ Für die Anwendung in der Forschung und Medizin kommen häufig bio-technologisch hergestellte Eiweiße zum Einsatz, deren Eigenschaften im Vergleich zur Ursprungsform verändert und auf das neue System angepasst sind: Diese rekombinanten Proteine werden mithilfe von gentechnisch gezielt veränderten DNA-Viren modifiziert. Die neue Struktur trägt die angestrebte Zielfunktion. Lange fand als Expressionsmedium, sprich als Maschinerie, um neuartige Proteine herzustellen, das Darmbakterium Escherichia coli (E.coli) Anwendung. „E.coli ist ein sehr einfacher Organismus“, erklärt Bräse. Andererseits habe E.coli auch einige Nachteile bezüglich der Biosynthese von Designer-Proteinen.
Deshalb haben sich in den letzten Jahren Insektenzellen, sogenannte Sf21-Zellen, als geeignetes Expressionssystem bewährt, zusammen mit dem „MultiBac-System“. Dieses System nutzt einen Transfer-Vektor, also eine Art „Genfähre“, welche die benötigten Informationen zum Aufbau des rekombinant modifizierten Proteins enthält. „Durch eine Kombination des MultiBac-Systems mit seitenspezifischen Gen-Engineering-Methoden, dem ‚MultiBacTAG‘, können wir nahezu beliebige Proteine mit integrierten Zielfunktionalitäten in großen Mengen und mit hoher Qualität herstellen“, sagt Dr. Edward Lemke, Gruppenleiter für Hochauflösende Untersuchungen am Europäischen Molekularbiologischen Labor (EMBL) in Heidelberg. „Das System benötigt dafür nur einige Wochen. Wir haben es direkt für unsere Glykanstrukturen genutzt“, ergänzt Bräse.
Mit dieser innovativen Methode gelang es den internationalen Forschungspartnern ortsspezifisch unnatürliche Aminosäuren in das Zielprotein einzuführen. Ein neu designtes, orthogonales Enzym, das tRNA/ tRNA-Synthetase-Paar, erkennt die unnatürlichen Aminosäuren und kann sie bequem in die gewünschte Zielstruktur einbauen.
Durch die Kombination des MultiBac-Systems mit dem orthogonalem tRNA/ tRNA-Synthetase-Paar ist es Lemke und Bräse mit ihren Gruppen gelungen, Proteinkomplexe mit Zellkerne in Insektenzellen herzustellen, die unnatürliche Aminosäuren tragen und somit eine Vielzahl von Anwendungen erlauben. Die Technologie zur Erweiterung des genetischen Codes ist für die heutige Medizin und Biotechnologie unverzichtbar. „MultiBacTAG ist nutzerfreundlich und leicht nachvollziehbar. Da die Komponenten der Gencode-Veränderung in die Struktur von MultiBacTAG eingesetzt sind, können Nutzer unsere Erweiterung ohne vorherige Erfahrung oder Kenntnisse verwenden“, sagt Bräse.
In Tests konnten die chemischen Biologen an Insekten- und Säugerzellen die Anwendung für eine Vielfalt von Proteinen und Proteinkomplexen aufzeigen. So konnten sie beispielsweise Herceptin herstellen, ein Protein, das als Antikörper bei Brustkrebserkrankungen verwendet wird. „Wir gehen davon aus, dass MultiBacTAG eine breite Palette von Möglichkeiten für das individuelle Proteindesign in biotechnologischen und pharmazeutischen Anwendungen ermöglicht“, fasst Bräse zusammen. „Es könnte vor allem in der Erforschung von Proteinkomplexen und deren funktionellen Wechselwirkungen sehr nützlich sein.“ (wer)
Publikation:
Nature Methods, 2016.
Externer Link: www.kit.edu
Gene in der Zange
Presseinformation der LMU München vom 21.10.2016
Physiker der LMU haben eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich Biomoleküle einfach und effizient auf ihre mechanischen Eigenschaften untersuchen lassen.
Für Biologen zählen zu den wichtigsten Fragen, wie Proteine und Gene in menschlichen Zellen arbeiten, wie sie ihre Aufgaben erledigen und mit etwaigen Störungen umgehen. Von großer Bedeutung ist dabei, wie die Biomoleküle auf winzigste Krafteinwirkungen reagieren. LMU-Physiker um Professor Tim Liedl haben zusammen mit Wissenschaftlern der TU Braunschweig und der Universität Regensburg nun eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe man gezielt konstante Kräfte auf ein einzelnes, nur wenige Nanometer großes Molekül ausüben und gleichzeitig dessen Reaktion auf die angelegte Kraft beobachten kann. So lässt sich testen, ob ein Protein oder Gen seine Aufgabe noch richtig ausführt, wenn kleinste Kräfte im Inneren einer Zelle an der Struktur zerren. Für die Untersuchung mit der neuen Kraftspektroskopie-Methode, die nanoskopische Kraftmesser einsetzt, benötigt man keine makroskopischen Werkzeuge und kann zudem eine große Zahl Moleküle parallel untersuchen, ein enormer Zeitgewinn.
Mit dem neuen Ansatz umgehen die Forscher zwei fundamentale Einschränkungen bisheriger Methoden in der Kraftspektroskopie. Sowohl beim Rasterkraftmikroskop wie auch bei den sogenannten optischen und magnetischen Pinzetten haben die untersuchten Moleküle immer eine direkte Verbindung zur makroskopischen Welt. Im Grunde muss man dabei jeweils die Position eines mindestens Mikrometer großen Objekts (Kugel oder Metallspitze) genau kontrollieren und übt dann Kräfte auf Moleküle aus, die an diesem Objekt verankert sind. Das ist technisch extrem aufwändig und verursacht zudem oft fehlerbehaftete Signale. Zudem lässt sich damit immer nur ein Molekül nach dem anderen untersuchen. Von diesen Zwängen ist die neue Methode befreit. „Unsere Strukturen arbeiten völlig autonom“, erklärt Philipp Nickels aus der Forschergruppe von Tim Liedl. „Und wir können damit unzählige Moleküle gleichzeitig untersuchen.“
Als würde man eine Feder leicht spannen
Die Münchner Forscher, die auch dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) angehören, basteln mithilfe der DNA-Origami-Technik zunächst aus vielen künstlichen DNA-Strängen gezielt nanometergroße, molekulare Klammern, die so konstruiert sind, dass sie selbständig Kräfte ausüben können. In ihre speziell designten DNA-Klammern spannen sie einen in der Mitte mit einer speziellen Sequenz ausgestatteten Einzelstrang ein, an den wiederum das zu untersuchende Molekül anbindet. Kraft können sie ausüben, indem sie den in der Klammer befestigten Einzelstrang gezielt um einzelne Basen verkürzen. „Das ist, als würde man eine Feder leicht spannen“, sagt Nickels. Damit lassen sich gezielt unvorstellbar kleine Kräfte zwischen 0 und 15 Pico-Newton ausüben, das sind Billionstel Newton. Für die Physiker ist es ein ideales Untersuchungsinstrument, denn im Zellinneren wirken genau Kräfte in dieser Größenordnung auf die Proteine oder Gene ein. „Wir können im Prinzip jedes Biomolekül einspannen und dessen mechanischen Eigenschaften untersuchen“, sagt Gruppenleiter Tim Liedl.
Die Messdaten lesen die Forscher sehr elegant über den Energieaustausch zweier eingebauter Fluoreszenzfarbstoffe aus. „Wenn sich beispielsweise aufgrund der angelegten Kräfte die Struktur des untersuchten Moleküls ändert, ändert sich auch der Abstand der Farbstoffe,“ erklärt Professor Philip Tinnefeld, TU Braunschweig. Da nun beim sogenannten FRET (Förster-Resonanz-Energie-Transfer) die übertragene Energie sehr stark vom Abstand der Farbstoffe abhängig ist, kann das System wie ein Lineal auf der Nanometerskala winzigste Verschiebungen im Molekül erkennen.
In Zusammenarbeit mit Professor Dina Grohmann, Universität Regensburg, demonstrierte das Team um Liedl die Möglichkeiten der neuen Kraftspektroskopie-Methode am Beispiel des sogenannten TATA-Binding-Proteins, eines wichtigen Faktors in der Genregulation. Die Forscher fanden heraus, dass dieses Protein nicht mehr effizient arbeiten kann, wenn die Zielsequenz mit mehr als sechs Pico-Newton gespannt wird. Noch steht die neue Technologie am Anfang. Da die DNA-Klammern winzig sind und autonom arbeiten können, wäre es in Zukunft sogar denkbar, sie auch in einer lebenden Zelle einzusetzen und dort die molekularen Vorgänge live zu untersuchen.
Publikation:
Science 2016
Externer Link: www.uni-muenchen.de
Die Quanten-Schnüffelnase
Presseaussendung der TU Wien vom 20.10.2016
Der Laser, der zugleich ein Detektor ist: An der TU Wien wurde ein mikroskopisch kleiner Sensor entwickelt, mit dem man gleichzeitig verschiedene Gase nachweisen kann.
Wir Menschen erschnüffeln unterschiedliche Gerüche und Düfte durch chemische Rezeptoren in unserer Nase. Doch für den technischen Nachweis von Gasen greift man gerne auf ganz andere Verfahren zurück, wie beispielsweise Infrarotlaser. Dabei wird ein Laserstrahl durch das Gas geschickt und am anderen Ende misst ein separater Detektor wie stark das Licht vom Gas abgeschwächt wurde. Ein winziger, neu entwickelter Sensor der TU Wien vereint nun beide Seiten in einem einzigen Bauteil: Dieselbe Mikrostruktur kann für das Aussenden und das Detektieren der Infrarotstrahlung verwendet werden.
Ringförmige Quantenkaskadenlaser
„Die Laser, die wir herstellen, haben mit gewöhnlichen Laser-Pointern nicht viel zu tun“, erklärt Rolf Szedlak vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Wir bauen sogenannte Quantenkaskadenlaser. Sie bestehen aus einem ausgeklügelten Schichtsystem unterschiedlicher Materialien und emittieren Licht im Infrarotbereich.“
Wird an dieses Schichtsystem eine elektrische Spannung angelegt, wandern Elektronen durch den Laser. Durch eine passende Auswahl von Materialien und Schichtdicken verlieren die Elektronen immer ein bisschen Energie, wenn sie von einer Schicht in die nächste wechseln. Diese Energie wird in Form von Licht abgegeben – es entsteht ein Infrarot-Laserstrahl.
„Unsere Quantenkaskadenlaser sind ringförmig, mit einem Durchmesser von weniger als einem halben Millimeter“, sagt Prof. Gottfried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien. „Seine geometrischen Eigenschaften tragen dazu bei, dass der Laser nur Licht einer ganz bestimmten, wohldefinieren Wellenlänge abstrahlt.“
„Für die chemische Analyse von Gasen ist das optimal, denn viele Gase absorbieren nur ganz bestimmte Anteile des Infrarotlichts“, sagt Prof. Bernhard Lendl vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. Durch seinen individuellen Infrarot-„Fingerabdruck“ kann man ein Gas daher zuverlässig detektieren. Es wird lediglich ein Laser mit passender Wellenlänge benötigt sowie ein Detektor, der misst, wie viel Infrarotstrahlung vom Gas verschluckt wurde.
Der Laser, der auch detektiert
„Unsere Mikrostruktur besitzt den großen Vorteil, Laser und Detektor in einem zu sein“, erläutert Rolf Szedlak. Zwei konzentrische Quantenkaskaden-Ringe wurden dafür ineinander gepackt. Beide können (je nach Betriebsmodus) sowohl Licht aussenden als auch Licht detektieren – und zwar bei zwei leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Ein Ring sendet Laserlicht aus, das durch das Gas geleitet und anschließend von einem Spiegel wieder zurückgeschickt wird. Der zweite Ring nimmt dieses reflektierte Licht auf und misst seine Stärke. Gleich darauf tauschen die beiden Ringe ihre Rollen und die nächste Messung kann durchgeführt werden.
Um diesen neuartigen Sensor zu testen, stellte sich das Forschungsteam der TU Wien eine besonders schwierige Aufgabe: Es galt, Isobuten und Isobotan zu unterscheiden – zwei Moleküle, die nicht nur zum Verwechseln ähnliche Namen, sondern auch sehr ähnliche chemische Eigenschaften aufweisen. Doch auch diese Probe bestanden die Mikro-Sensoren exzellent und die beiden Gase konnten zuverlässig identifiziert werden.
„Wenn Laser und Detektor vereint werden, hat das viele Vorteile“, erklärt Gottfried Strasser. „Auf diese Weise können extrem kompakte Sensoren gebaut werden. Denkbar ist sogar ein ganzes Array – sprich eine Anordnung vieler solcher Mikro-Sensoren – auf einem einzigen Chip unterzubringen und mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig zu arbeiten.“ Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele – etwa in der Umweltanalytik oder Medizin. (Florian Aigner)
Originalpublikation:
Rolf Szedlak et al., ACS Photonics, 2016, 3 (10). DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00603
Externer Link: www.tuwien.ac.at
Nanodrähte als Sensoren in neuem Rasterkraftmikroskop
Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.10.2016
Mit einem neu entwickelten Rasterkraftmikroskop können Nanodrähte als winzige Sensoren eingesetzt werden – womit sich im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten sowohl Grösse als auch Richtung von Kräften messen lassen. Dies berichten Physiker der Universität Basel und der EPF Lausanne im Fachblatt «Nature Nanotechnology».
Nanodrähte sind extrem dünne, langgestreckte Kristalle, die Molekül für Molekül aus verschiedenen Materialien aufgebaut werden können und wegen ihrer besonderen Eigenschaften zurzeit von zahlreichen Forschungsteams weltweit untersucht werden.
Die Drähte haben normalerweise einen Durchmesser von maximal 100 Nanometern und sind damit etwa tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Aufgrund ihrer winzigen Abmessungen besitzen sie eine im Vergleich zum Volumen enorm grosse Oberfläche, haben eine sehr geringe Masse und zeichnen sich durch ein fast fehlerfreies Kristallgitter aus. Nanodrähte sind daher gut geeignet, um als winzige Sensoren für biologische und chemische Proben, aber auch als Druck- oder Ladungssensoren eingesetzt zu werden.
Richtung und Grösse gemessen
Das Basler Forschungsteam um Argovia-Professor Martino Poggio vom Swiss Nanoscience Institute (SNI) und dem Departement Physik der Universität Basel zeigt nun, dass Nanodrähte auch als Sensoren in Rasterkraftmikroskopen zur Erfassung von Kräften verwendet werden können. Wegen ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften vibrieren diese Drähte entlang zweier senkrecht zueinander stehender Achsen mit etwa derselben Frequenz. Wird nun ein Nanodraht in ein Rasterkraftmikroskop integriert, können die Forscher diese senkrecht zueinander stehenden Vibrationsänderungen, die durch verschiedene Kräfte ausgelöst werden, messen. Sie nutzen die Nanodrähte damit als winzige mechanische Kompassnadeln, die sowohl die Richtung als auch die Grösse der umgebenden Kräfte anzeigen.
Bild des zweidimensionalen Kräftefelds
Die Basler Wissenschaftler beschreiben, wie sie mit einem Nanodraht-Sensor eine strukturierte Probenoberfläche abgebildet haben. Zusammen mit Kollegen von der EPF Lausanne, welche die Nanodrähte herstellen, konnten sie das zweidimensionale Kräftefeld über der Probenoberfläche mit dem Nanodraht-Kompass abbilden. Um zu beweisen, dass das Prinzip der Messung erfolgreich ist, generierten die Forscher mithilfe von winzigen Elektroden auch Test-Kraftfelder und bildeten diese erfolgreich ab.
Die grösste technische Herausforderung war dabei, ein Gerät zu realisieren, das einen Nanodraht über der Oberfläche scannen kann und gleichzeitig seine Vibration in zwei senkrecht zueinander laufenden Richtungen beobachtet. Entwickelt wurde daher ein neuer Typ von Rasterkraftmikroskop, womit dessen vielfältiger Einsatz noch erweitert werden kann.
Rasterkraftmikroskop heute breit eingesetzt
Die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops vor 30 Jahren wurde Anfang September 2016 mit der Verleihung des hochdotierten Kavli-Preises ausgezeichnet. Prof. Christoph Gerber von SNI und Departement Physik der Universität Basel ist einer der drei Preisträger, der mit seiner Arbeit massgeblich dazu beigetragen hat, dass diese Art von Mikroskopie aus Bereichen wie Festkörperphysik, Materialwissenschaften, Biologie und Medizin nicht mehr wegzudenken ist.
Die verschiedenen Typen von Rasterkraftmikroskopen besitzen in der Regel Federbalken aus kristallinem Silizium als mechanische Sensoren. «Wenn wir nun die deutlich kleineren Nanodrähten einsetzen, öffnet das die Tür für weitere Verbesserungen dieser enorm erfolgreichen Technik», sagt Martino Poggio.
Die Studie wurde unterstützt von European Research Council Starting Grant NWScan, Swiss Nanoscience Institute, Kanton Aargau, Schweizerischem Nationalfonds und dem Nationalen Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology».
Originalbeitrag:
Nicola Rossi, Floris R. Braakman, Davide Cadeddu, Denis Vasyukov, Gözde Tütüncüoglu, Anna Fontcuberta i Morral & Martino Poggio
Vectorial scanning force microcopy using a nanowire sensor
Nature Nanotechnology (2016), doi: 10.1038/nnano.2016.189
Externer Link: www.unibas.ch