Archiv des Autors: PaulWutz

Erste Messung elektrischer Felder zwischen zwei Atomen

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 19.12.2014

Wichtiger Schritt für die Nanotechnologie

Wissenschaftlern ist es jetzt erstmals gelungen, elektrische Felder zwischen zwei Atomen in einem Kristall zu messen. Das internationale Forscherteam, dem auch Prof. Dr. Josef Zweck vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg angehört, setzte dazu ein spezielles Hochleistungs-Elektronenmikroskop ein. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/ncomms6653).

Für ihre Experimente griffen die Forscher auf Strontiumtitanat (SrTiO3) zurück, das aufgrund seines hohen Brechungsindex für optische Bauelemente verwendet wird. Der Durchmesser des Elektronenstrahls des Hochleistungs-Elektronenmikroskops war mit etwa 50 pm (Pikometer) drei- bis viermal kleiner als der Abstand zwischen den einzelnen Atomen in der Kristallstruktur von Strontiumtitanat. Der Strahl konnte daher dazu genutzt werden, um den Raum zwischen den Atomen abzutasten. Dort existierende elektrische Felder – mit verantwortlich für die Bindung der Atome untereinander – beeinflussen den Elektronenstrahl. Mit Hilfe eines quantenphysikalischen Ansatzes gelang die Rekonstruktion der interatomaren Felder.

Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten der Materialcharakterisierung auf atomarer Ebene. Von großer Bedeutung ist dies für den Bereich der Nanotechnologie, in dem besondere physikalische Eigenschaften schon allein durch Bearbeitung oder Manipulation von einer oder wenigen Atomlagen erzeugt werden können. (Alexander Schlaak)

Titel der Original-Publikation:
Knut Müller, Florian F. Krause, Armand Béché, Marco Schowalter, Vincent Galioit, Stefan Löffler, Johan Verbeeck, Josef Zweck, Peter Schattschneider, Andreas Rosenauer (2014): Atomic electric fields revealed by a quantum mechanical approach to electron picodiffraction, in Nature Communications 5, Article number: 5653

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Organmodelle im OP-Saal live anpassen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.12.2014

Mit einem neuen Rechenverfahren übertragen Nachwuchswissenschaftler des KIT Organverformungen während computergestützter Operationen auf die zugrundeliegenden Modelle.

Bei minimalinvasiven Operationen muss ein Chirurg auf die Informationen am Bildschirm vertrauen: Wo sich ein Tumor befindet und wo sensible Gefäße, zeigt ihm ein virtuelles 3-D-Modell des entsprechenden Organs. Weiches Gewebe, wie das der Leber, verformt sich allerdings beim Atmen oder wenn das Skalpell ansetzt. Endoskopische Kameras erfassen live, wie sich die Oberfläche dabei verändert – nicht aber wie beispielsweise ein tieferliegender Tumor. Nachwuchswissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun eine echtzeitfähige Rechenmethode entwickelt, die das virtuelle Organ an das verformte Oberflächenprofil anpasst.

Das Prinzip klingt einfach: Anhand computertomographischer Bilddaten erzeugen die Wissenschaftler vor der Operation ein virtuelles 3-D-Modell des betreffenden Organs samt Tumor. Während der Operation tasten Kameras die Oberfläche des Organs ab und erstellen eine starre Profilmaske. An diesen virtuellen Abdruck soll sich das 3-D-Modell dann anschmiegen – ähnlich wie Wackelpudding an eine Form. Die Nachwuchsgruppe von Dr. Stefanie Speidel hat sich diesem geometrischen Problem der Formanpassung nun von physikalischer Seite genähert: „Wir modellieren das Oberflächenprofil als elektrisch negativ und das Volumenmodell des Organs als elektrisch positiv geladen“, erklärt Speidel. „Da sich beide nun anziehen, gleitet das elastische Volumenmodell quasi von selbst in die unbewegliche Profilmaske hinein.“ An dem angepassten 3-D-Modell kann der Chirurg direkt erkennen, wie sich der Tumor mit der Verformung des Organs verschoben hat.

Simulationen und Experimente mit einer wirklichkeitsnahen Phantomleber haben bereits gezeigt: Das elektrostatisch-elastische Verfahren der Nachwuchsgruppe funktioniert selbst dann, wenn das verformte Oberflächenprofil nur bruchstückhaft vorliegt. Im Klinikum ist das die Standardsituation, weil die Leber beim Menschen zwischen anderen Organen eingebettet und daher selbst mit endoskopischen Kameras bloß teilweise sichtbar ist. „Nur die Strukturen, die unser System eindeutig als Teile der Leber identifizieren kann, erhalten eine elektrische Ladung“, sagt Dr. Stefan Suwelack, der in der Gruppe von Speidel über das Thema promoviert hat. Problematisch werde es erst, wenn deutlich weniger als die Hälfte der verformten Oberfläche zu sehen sei. Um die Rechnung in solchen Fällen zu stabilisieren, können die KIT-Forscher eindeutige Referenzpunkte, wie sich kreuzende Gefäße, mit einbeziehen. Im Gegensatz zu anderen Verfahren sind sie aber nicht von vorneherein darauf angewiesen.

Zudem ist das Modell der KIT-Forscher genauer als bisherige Standardmethoden, weil es auch biomechanische Faktoren der Leber berücksichtigt: etwa wie elastisch das Gewebe ist. So setzt sich ihre Phantomleber beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Silikonen zusammen: einem härteren für die Kapsel, also die äußere Hülle der Leber, und einem weichen für das innere Lebergewebe.

Ihre physikalische Herangehensweise ermöglicht es den Nachwuchswissenschaftlern außerdem, den Rechenvorgang zu beschleunigen. Weil sie die Formanpassung über elektrostatische und elastische Energien beschrieben, konnten sie dafür eine einzige mathematische Formel finden. Damit arbeiten selbst gewöhnliche Computer, die nur über eine Recheneinheit verfügen, so schnell, dass die Methode konkurrenzfähig ist. Im Gegensatz zu bisher gängigen Berechnungsverfahren eignet sie sich aber auch für Parallelrechner. Mit einem solchen will die Nachwuchsgruppe Organverformungen als nächstes stabil in Echtzeit modellieren. (lcp)

Publikation:
Stefan Suwelack, et al.: Physics-based shape matching for intraoperative image guidance, Medical Physics, Vol. 41 (2014)

Externer Link: www.kit.edu

Intricaren erstmals photochemisch synthetisiert

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Presseinformation der LMU München vom 03.12.2014

LMU-Forscher bauen erstmals biomimetisch den Naturstoff Intricaren im Labor nach. Bei der photochemischen Reaktion ahmen sie die natürlichen Bedingungen in der Koralle nach.

LMU-Forschern ist die photochemische und biomimetische Synthese des Naturstoffes Intricaren gelungen, der aus der karibischen Koralle Pseudopterogorgia kallos isoliert wurde. Dabei klärten sie den komplexen und überraschenden Mechanismus der lichtinduzierten Reaktionskaskade auf. Über ihre Ergebnisse, die der interdisziplinären Zusammenarbeit im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen“ entstammen, berichten die Forscher aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

„Für einen bereits früher aus der Koralle isolierten Naturstoff wurde Antimalaria-Aktivität und eine signifikante Zytotoxizität gegenüber Lungen- und Nierenkrebszelllinien festgestellt. Intricaren jedoch konnte bislang nicht genauer auf seine biologischen Eigenschaften untersucht werden, weil die Substanz nicht in ausreichender Menge vorhanden war“, sagt Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik vom Department Chemie der LMU. In Zusammenarbeit mit Regina de Vivie-Riedle, Professor für Theoretische Chemie an der LMU, und Eberhard Riedle, Professor für Experimentalphysik an der LMU, ist es den Forschern erstmals gelungen, Intricaren unter Bedingungen zu synthetisieren, die denen in der Koralle entsprechen und den komplexen Reaktionsmechanismus aufzuklären.

Naturstoffmolekül zeigt alle Facetten der Photochemie

Sonnenlicht ist der entscheidende Faktor bei der Biosynthese. Die photochemischen Reaktionen in der letzten Phase der Biosynthese scheinen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von sogenannten Furanocembranoiden wie Intricaren zu spielen.

Bei der Photosynthese verwandelt sich Licht in chemische Energie und kann komplexe Reaktionsmechanismen auslösen. In der Koralle wird durch direkte Umwandlung der Lichtenergie die Synthese von Intricaren ermöglicht.

Wissenschaftler um Dirk Trauner bestrahlten ein Derivat des Naturstoffes Bipinnatin J, das aus der Koralle isoliert wurde, mit einer Reptilienlampe, deren Emissionsspektrum dem des Sonnenlichts ähnelt. Dadurch konnten sie Intricaren und ein weiteres bisher unbekanntes Produkt synthetisieren. „Diese Naturstoffsynthese ist erstmals unter biomimetischen Bedingungen, also nur durch Verwendung von Licht ohne hohe Temperaturen und reaktive Reaktionspartner gelungen“, sagt Dirk Trauner.

Wie Eberhard Riedle durch photophysikalische Messungen nachwies, ist dabei die Anregung einer schwachen Absorptionsbande des Ausgangsstoffs entscheidend. „Die lange Bestrahlungsdauer im Experiment entspricht den biologischen Bedingungen und ermöglicht die photochemische Initiierung der Reaktion“, erläutert Eberhard Riedle.

Die Arbeitsgruppe von Regina de Vivie-Riedle konnte mithilfe quantenchemischer Rechnungen den komplexen Mechanismus der Reaktionskaskade aufklären. Intricaren entsteht über das Zwischenprodukt Oxidopyrylium und anschließender photochemischer Cycloaddition, bei der ungesättigte Systeme durch Ringschluss miteinander reagieren. Die verschiedenen Reaktionsschritte verlaufen dabei über Triplettzustände, in denen zwei Elektronen ungepaart sind. „Die lange Lebensdauer der Triplettzustände ermöglicht es, dass die Moleküle die verschiedenen Schritte der Reaktionskaskade im angeregten Zustand durchlaufen und vermeidet damit die im elektronischen Grundzustand vorhandenen hohen Barrieren“, erklärt Regina de Vivie-Riedle. Selbst wenn im Verlauf der langen Reaktionskaskade das Molekül zurück in den Grundzustand fällt, kann sich das Intermediat Oxidopyrylium durch Absorption von Licht erneut in die Reaktionskaskade einfädeln.

„Wir finden in diesem kleinen Naturstoffmolekül alle Facetten der Photochemie von Lichtabsorption und Energieumverteilung“, hebt Regina de Vivie-Riedle die Überraschung des Forscherteams hervor. Photochemische Experimente mit einem weiteren Derivat des Naturstoffes Bipinnatin J bestätigten den Reaktionsmechanismus. „Dessen genaues Verständnis soll es in Zukunft erlauben, Intricaren in größeren Mengen herzustellen und auf seine potenziellen Eigenschaften als Krebsmedikament zu untersuchen“, sagt de Vivie-Riedle.

Die interdisziplinären Arbeiten wurden ermöglicht durch die Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 749 „Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen“ und durch weitere Netzwerke: Dirk Trauner ist Mitglied des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM), Regina de Vivie-Riedle und Eberhard Riedle sind Mitglieder des Exzellenzclusters „Munich Centre of Advanced Photonics“ (MAP). (nh)

Publikation:
Nature Communications

Externer Link: www.uni-muenchen.de

technologiewerte.de – MOOCblick Dezember 2014

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgende drei – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollten einen Blick wert sein:

Entrepreneurship 101: Who is your customer?
Bill Aulet (MIT)
Start: 09.01.2015 / Arbeitsaufwand: ca. 48 Stunden

Entrepreneurship 102: What can you do for your customer?
Bill Aulet (MIT)
Start: 09.01.2015 / Arbeitsaufwand: ca. 48 Stunden

Innovation and Commercialization
Eugene Fitzgerald (MIT)
Start: 13.01.2015 / Arbeitsaufwand: ca. 156 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Mit Nano-Imitaten gegen Malariaparasiten

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.12.2014

Malariaparasiten dringen in menschliche rote Blutkörperchen ein, die sie zum Platzen bringen und so weitere infizieren. Nun haben Forschende der Universität Basel und des Schweizerischen Tropen- und Public Health-Instituts sogenannte Nano-Imitate von Wirtszellmembranen entwickelt, welche die Erreger täuschen und austricksen. Dies könnte zu neuartigen Therapie- und Impfstrategien gegen Malaria und andere Infektionskrankheiten führen, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift «ACS Nano» berichten.

Für viele Infektionskrankheiten gibt es noch keine Impfung, die eine Infektion im Voraus verhindert; zudem verbreiten sich Resistenzen gegen aktuelle Medikamente rasant. Zur Bekämpfung solcher Infektionen werden daher innovative Strategien mit alternativen Wirkmechanismen gesucht – so etwa gegen den Malariaerreger Plasmodium falciparum, der durch die Stechmücke Anopheles übertragen wird. Malaria ist immer noch verantwortlich für mehr als 600’000 Todesfälle im Jahr, vor allem Kinder in Afrika sind betroffen (WHO, 2012).

Künstliche Bläschen mit Rezeptoren

Die Malariaparasiten dringen normalerweise in menschliche rote Blutkörperchen ein, in denen sie sich verstecken und vermehren. Danach bringen sie die Wirtszellen zum Platzen und infizieren neue Zellen. Dieser Kreislauf kann nun mithilfe der Nano-Imitate effizient unterbrochen werden, da die frei gewordenen Erreger an Nano-Imitate anstatt an die roten Blutkörperchen binden.

Forschende um Prof. Wolfgang Meier, Prof. Cornelia Palivan (beide Universität Basel) und Prof. Hans-Peter Beck (Swiss TPH) haben die Nano-Imitate der Wirtszellmembran entwickelt und erfolgreich getestet. Dazu entwickelten sie einen einfachen Prozess zur Herstellung von Polymer-Vesikeln – kleinster künstlicher Bläschen –, die die spezifischen Wirtszellrezeptoren auf ihrer Oberfläche präsentieren. Die Bildung solcher Polymer-Vesikel mit eingebautem wasserlöslichem Wirtszellrezeptor erfolgte durch ein Gemisch aus zwei unterschiedlichen Block-Copolymeren. In wässriger Lösung formen sich die Nano-Imitate spontan durch Selbstorganisation.

Erreger effizient blockiert

In der Regel zerstören die Malariaparasiten ihre Wirtszellen nach 48 Stunden und infizieren neue rote Blutkörperchen, wobei sie an deren spezifischen Wirtszellrezeptoren binden müssen. Nano-Imitate können nun die heraustretenden Parasiten binden und dadurch ihre Invasion in die Wirtszellen blockieren. Die Erreger befallen so ihre Wirtszellen nicht mehr, sind jedoch für das Immunsystem voll zugänglich.

Die Forschenden untersuchten die Interaktion von Nano-Imitaten und den Malariaparasiten mittels Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie im Detail. Dabei konnte eine grosse Anzahl an Nano-Imitaten an die Parasiten binden, und die Reduktion der Infektion war durch die Nano-Imitate um das 100-Fache effizienter als mit löslichen Wirtszellrezeptoren. Das heisst: Um alle Erreger zu blockieren, braucht es eine 100-mal höhere Konzentration von löslichen Wirtszellrezeptoren, als wenn die Rezeptoren auf den Nano-Imitaten präsentiert werden.

«Unsere Ergebnisse könnten in Zukunft zu neuen Möglichkeiten für alternative Therapie- und Impfansätzen führen», sagt Adrian Najer, Erstautor der Studie. Da viele Krankheitserreger den gleichen Wirtszellrezeptor zum Eindringen benötigen wie die Malariaparasiten, könnten die Nano-Imitate auch gegen andere Infektionskrankheiten eingesetzt werden. Das Forschungsprojekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und dem NCCR «Molecular Systems Engineering» finanziell unterstützt.

Originalbeitrag:
Adrian Najer, Dalin Wu, Andrej Bieri, Françoise Brand, Cornelia G. Palivan, Hans-Peter Beck, and Wolfgang Meier
Nanomimics of Host Cell Membranes Block Invasion and Expose Invasive Malaria Parasites
ACS Nano, Publication Date (Web): November 29, 2014 | DOI: 10.1021/nn5054206

Externer Link: www.unibas.ch