Presseinformation der Universität Innsbruck vom 11.01.2011

Wissenschaftler der Universität Innsbruck und der TU Wien haben erstmals im Labor gasförmige Kohlensäure hergestellt und isoliert. Die Chemiker um Thomas Lörting (Innsbruck) und Hinrich Grothe (Wien) konnten die gasförmigen Moleküle mittels Infrarotspektroskopie exakt charakterisieren. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.

Lehrbücher und Medien verbreiten es immer wieder: Stabile Kohlensäure gibt es praktisch nicht. Sie lasse sich in reiner Form nicht erzeugen und zerfalle beim Verdampfen sofort in Kohlendioxid und Wasser. Innsbrucker Chemiker um Erwin Mayer (Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie) haben dieses alte Dogma der Chemie schon vor einigen Jahren umgestoßen. Sie gehören heute zu den wenigen Wissenschaftlern weltweit, die reine Kohlensäure im Labor herstellen können. Nun haben sie erstmals auch gasförmige Kohlensäure erzeugt und mit Unterstützung der Forschungsgruppe um Hinrich Grothe von der TU Wien die Moleküle auch nachgewiesen. „Die Moleküle der Kohlensäure treten in der Gasphase in drei unterschiedlichen Formen auf: entweder als Dimer aus zwei Molekülen oder in zwei Arten von Monomeren“, erläutert Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie das Resultat der aufwändigen Untersuchung.

Überraschendes Ergebnis

Für das Experiment wurde die Kohlensäure im Labor an der Universität Innsbruck erzeugt und in flüssigem Stickstoff gekühlt von Doktorand Jürgen Bernard nach Wien transportiert. Am Institut für Materialchemie der TU Wien wurden die Proben dann bis auf minus 30 Grad Celsius erwärmt. „Dabei gingen die Kohlensäuremoleküle in die Gasphase über“, erklärt Lörting das überraschende Ergebnis. Denn viele Experten waren bisher davon ausgegangen, dass Kohlensäure sofort in Kohlendioxid und Wasser zerfällt. Die österreichischen Forscher haben die gasförmige Kohlensäure in einer Matrix aus dem Edelgas Argon gefangen und stark abgekühlt. „Dadurch entstand ein gefrorenes Abbild der gasförmigen Kohlensäure, das wir mittels eines evakuierbaren und hochauflösenden Infrarotspektrometers an der TU Wien untersuchen konnten“, erzählt Hinrich Grothe. „Das dabei erzeugte Spektrum ist so genau, dass wir die Spektrallinien den einzelnen Schwingungen von einzelnen Molekülen zuordnen konnten.“ Theoretische Unterstützung erhalten die Chemiker bei den experimentellen Arbeiten schon seit mehr als einem Jahrzehnt von der Arbeitsgruppe von Klaus Liedl, die mittels Computermodellen bei der Interpretation der experimentellen Daten hilft. Weitere Berechnungen wurden von Oscar Galvez vom CSIC Madrid durchgeführt.

Infrarotspektrum für die Forschung

Das Experiment ist nicht nur für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung, es liefert auch wichtige Daten für die Astronomie. Der Nachweis von gasförmiger Kohlensäure in der Atmosphäre von Himmelskörpern wird durch die in der Studie veröffentlichten, sehr detaillierten Spektren der gasförmigen Kohlensäure erleichtert. „Die Bedingungen im Weltraum legen es nahe, dass im Schweif von Kometen oder auf dem Planeten Mars gasförmige Kohlensäure gefunden werden müsste,“ erzählt Thomas Lörting. „Allerdings sind die derzeit gemessenen Infrarotspektren aus dem All noch zu ungenau, um sie mit den Ergebnissen aus dem Labor wirklich vergleichen zu können.“

Die Innsbrucker Chemiker um Lörting und Liedl sind Mitglieder der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften der Universität Innsbruck und wurden bei ihren Forschungen vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und vom European Research Council (ERC) unterstützt. Das neue Infrarotspektrometer der Wiener Chemiker um Grothe wurde vom materialwissenschaftlichen Schwerpunkt der TU Wien finanziert. Die Kooperation der TU Wien mit dem CSIC Madrid wurde vom Österreichischen Austauschdienst (ÖAD) unterstützt.

Publikation:
Spectroscopic Observation of Gas-Phase Carbonic Acid Isolated in Matrix. Jürgen Bernard, Markus Seidl, Ingrid Kohl, Klaus Liedl, Erwin Mayer, Oscar Gálvez, Hinrich Grothe, Thomas Lörting. Angewandte Chemie International Edition. DOI: 10.1002/anie.201004729

Externer Link: www.uibk.ac.at

Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 23.12.2010

Erlanger Chemiker klären auf, wie Biominerale sich selbst regenerieren

Was wäre, wenn sich die zerknautschte Karosserie eines Unfallwagens von ganz allein wieder auseinanderfalten würde? Noch ist das Zukunftsmusik, doch in der Natur gibt es zahlreiche Materialien, die – wenn auch in viel kleineren Dimensionen – über selbstheilende Fähigkeiten verfügen, zum Beispiel menschliche Knochen und Zähne. Forscher um den Physiker Prof. Dr. Dirk Zahn vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg haben auf molekularer Ebene untersucht, wie Zahnschmelz seine Verformungen von allein heilt. Ihre Forschungsergebnisse haben die Erlanger Wissenschaftler jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie (Internationale Edition, 122, 2010) veröffentlicht.

Beim Zubeißen und Kauen wird Zahnschmelz enormen Belastungen ausgesetzt. Dabei verformen sich unter dem großem Druck kleine Bereiche der Zahnoberfläche. Diesen Effekt simulierten Professor Zahn und seine Kollegen mithilfe eines Computermodells, das den atomaren Aufbau des Zahnschmelzes nachahmt.

Sie beobachteten, dass Eiweißmoleküle eine ganz zentrale Rolle bei der Verformung und Selbstheilung des Zahnschmelzes spielen. Die Moleküle sorgen dafür, dass sich die Atome nur in klar abgegrenzten Bereichen des Zahnschmelzes verschieben, andere Regionen hingegen unbeschädigt bleiben. Sobald der äußere Druck nachlässt, wird die Verschiebung der Atome nahe der Eiweißmoleküle wieder rückgängig gemacht, so dass nach einiger Zeit der gesamte Kristall wieder intakt ist. Auf diese Weise stellt der Zahnschmelz seine ursprüngliche Struktur wieder her, heilt sich also ganz von selbst.

„Wir haben hier einen Mechanismus entdeckt, der ein großes Potenzial für die molekulare Forschung birgt“, erklärt Dirk Zahn. „Es wäre großartig, die selbstheilenden Fähigkeiten von Biomineralien auch auf andere Materialien zu übertragen.“

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Pressemitteilung der TU München vom 13.12.2010

Krebs bekämpfen, Immunreaktion kontrollieren:

Als Recyclinghof der Zelle erfüllt das Proteasom eine lebenswichtige Aufgabe – auch für Krebszellen. Blockiert man es, erstickt die Zelle an ihrem eigenen Müll. Wäre man in der Lage, das Proteasom nur zu bremsen, könnte man auch Abstoßungsreaktionen bei Transplantationen auf diese Weise kontrollieren. Der nun von Wissenschaftlern um Professor Michael Groll von der Technischen Universität München (TUM) aufgeklärte Reaktionsmechanismus einer reversiblen Blockierung des Proteasoms könnte der Schlüssel zu neuen Medikamenten sein. Die renommierte Zeitschrift „Angewandte Chemie“ stellt die Ergebnisse vorab online als „Hot Paper“ vor.

Krebszellen sind so gefährlich, weil sie sich unkontrolliert und sehr viel schneller als andere Zellen vermehren. Eine Schlüsselstellung dabei besitzt das Proteasom, ein großer Eiweißkomplex, der nicht mehr benötigte Eiweiße wie eine Recyclinganlage abbaut und der Wiederverwertung zuführt. Als Forscher vor ein paar Jahren entdeckten, dass man ihr Wachstum auch durch Blockieren des Proteasoms bremsen kann, schürte das neue Hoffnungen. Das erste Medikament, das diese Strategie anwendet, Bortezomib, erzielt inzwischen einen Umsatz von mehr als einer Milliarde US-Dollar pro Jahr. Doch es blockiert auch andere wichtige Proteine und verursacht so eine Vielzahl schwerwiegender Nebenwirkungen. Weltweit sucht man daher nach Alternativen.

Eine Variante des Proteasoms, das Immuno-Proteasom, spielt bei einer anderen lebenswichtigen Funktion eine wichtige Rolle, der Immunreaktion. Die Produktion menschlichen Insulins in gentechnisch veränderten Bakterien ist eine große Hilfe für Diabetespatienten. Doch täglich die nötige Menge Insulin berechnen und spritzen zu müssen, ist eine erhebliche Belastung. Die Transplantation intakter, Insulin produzierender Inselzellen aus Schweinen könnte eine Lösung sein, doch stehen ihr die Abwehrreaktionen des Immunsystems entgegen. Könnten die Mediziner das Immuno-Proteasom vorübergehend ausbremsen, wäre die Abstoßungsreaktion vielleicht in den Griff zu kriegen.

In beiden Fällen kommt es darauf an, möglichst gezielt eingreifen zu können und möglichst wenig Schaden durch Nebenreaktionen anzurichten. Mit Carfilzomib und dem vom Gift des Meeres-Bakteriums Salinispora tropica abgeleitete Salinosporamid A befinden sich bereits zwei weitere Proteasomblocker in klinischen Studien. Für beide Substanzen konnte das Team von Professor Groll in früheren Arbeiten die Wirkmechanismen aufklären. Sie binden deutlich spezifischer an die gewünschte Stelle des Proteasoms als Bortezomib und verursachen daher deutlich weniger Nebenwirkungen. Doch wenn sie angreifen, ist das Proteasom unwiederbringlich zerstört. Gesunde Zellen können überleben, indem sie ein neues Proteasom aufbauen. Bei den schnell wachsenden Krebszellen führt das Chaos, das nicht abgebaute Signalproteine und anderer Proteinmüll anrichten, zum Absterben der Zelle.

Der Trick der beiden Proteasomblocker ist eine zweistufige Reaktion. Wie ein Schlüssel passen die kleinen Moleküle in ein Schloss am Proteasom. Doch auf das reversible Andocken an die Bindungsstelle folgt eine irreversible Ringbildung, und der Schlüssel kann nicht mehr heraus gezogen werden. Indem sie eine andere Kopfgruppe wählten, konnten die Wissenschaftler um Professor Michael Groll und Dr. Melissa Gräwert nun eine reversible Ringbildung erreichen. Die neue Kopfgruppe enthält in direkter Nachbarschaft eine Aldehyd- und eine Ketogruppe. Sie reagieren mit den Bindungsstellen am Proteasom ebenfalls zu einem Ring, doch die Reaktion dieser beiden Gruppen umkehrbar. So läst sich der Schlüssel wieder aus dem Schloss entfernen und das Proteasom kann seine Arbeit wieder aufnehmen.

Den angenommenen Mechanismus konnten die TUM-Wissenschaftler im Rahmen ihrer vom Exzellenzcluster Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM) unterstützten Arbeit mittels Röntgenstrukturanalyse von Kristallen des blockierten Proteasoms bestätigen. Dabei wurde auch klar, wie die Verbindung in Richtung eines nebenwirkungsarmen Medikaments weiter entwickelt werden kann. Neben der Kopfgruppe enthält die Verbindung eine kurze Kette von Aminosäuren, die sich an Bindungstaschen des Proteasoms anlagern können. Variiert man diese Aminosäuren, so kann man die Verbindung gezielt für den Angriff auf das Immuno-Proteasom optimieren.

„Der hier gezeigte, reversible zweistufige Bindungsmechanismus ist einzigartig für das Proteasom,“ sagt Michael Groll, Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie am Department Chemie der TU München. „Dies erklärt die hohe Selektivität und lässt vergleichsweise geringe Nebenwirkungen erwarten. Mit der reversiblen Reaktion öffnet sich uns nun ein viel weiteres Einsatzfeld. Nun können wir diese Verbindungen auch in Richtung von Immunsuppressiva weiter entwickeln.“ Genau diese Aufgabe stellen sich die Grundlagenforscher nun in enger Zusammenarbeit mit Medizinern innerhalb einer neuen SFB-Transregioinitiative: „Biology of xenogenic cell and organ Transplantation – from bench to bedside“.

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Center for Integrated Protein Research Munich, CIPSM und SFB 594) sowie der Peter-und-Traudl-Engelhorn-Stiftung (Nachwuchswissenschaftlerstipendium für Dr. Melissa Gräwert). Die Röntgenstruktur-Experimente wurden an der PXI-Beamline der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des Paul Scherrer Instituts (Villigen, Schweiz) durchgeführt.

Originalpublikation:
α-Keto-Aldehyd-Peptide besitzen ein neuartiges Leitmotiv für die Entwicklung reversibler Proteasominhibitoren, Melissa A. Gräwert, N. Gallastegui, Martin Stein, Boris Schmidt, Peter-Michael Kloetzel, Robert Huber and Michael Groll, Angewandte Chemie, Early View (Online), 7. Dezember 2010 – DOI: 10.1002/ange.201005488

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Medienmitteilung der Universität Basel vom 04.10.2010

Dank eines neuartigen Verfahrens lassen sich individuelle Quantenprozesse in einzelnen Molekülen mit hoher Präzision untersuchen und kontrollieren. Die an der Universität Basel entwickelte Technologie liefert wichtige Erkenntnisse über die Grundmechanismen der Chemie und könnte gleichzeitig ein wichtiger Schritt bei der Realisierung des Quantencomputers sein. Über die Arbeit berichtet die neue Ausgabe der Fachzeitschrift «Physical Review Letters».

Der Forschungsgruppe von Prof. Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel ist es erstmals gelungen, Moleküle in einer Falle zu lokalisieren und dabei ihre Dreh- und Schwingungsbewegungen vollständig zu kontrollieren. Damit ist es erstmals möglich, die wichtigsten Bewegungsformen einzelner Moleküle zu beobachten und gezielt zu manipulieren.

Die zahlreichen Bewegungen der Moleküle spielen in der Chemie und Biologie eine wichtige Rolle. Bis heute war es nur möglich, die mittlere Bewegung eines grossen Schwarms von Molekülen zu beobachten. Interessant für die Wissenschaftler ist aber die Natur eines einzelnen Moleküls. Mit dem neuen Verfahren ist es gelungen, einzelne Individuen aus dem Schwarm zu isolieren und ihre Eigenschaften festzulegen. Eine solche präzise Kontrolle über Moleküle war zuvor noch nie erreicht worden.

«Nun können wir chemische Reaktionen an isolierten Molekülen beobachten und gezielt beeinflussen», beschreibt Willitsch die Bedeutung seiner Arbeit. Das neuartige Verfahren wird der Chemie neue Erkenntnisse über die quantenmechanischen Mechanismen liefern, die jeder Reaktion zugrunde liegen.

Auf grosses Interesse stossen die Forschungsresultate auch bei Willitschs Kolleginnen und Kollegen am Departement Physik der Universität Basel. Sie arbeiten an den technischen Grundlagen zur Realisierung eines Quantencomputers. Der Ansatz von Willitsch und seinem Team könnte dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Die neuartige Entwicklung stellt die Weichen, Information in einzelnen lokalisierten Molekülen zu speichern. Sie erlaubt damit wichtige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung.

Möglich wurde diese bahnbrechende Technologie dank der interdisziplinären Zusammenarbeit von Physikern und Chemikern innerhalb des vom Kanton Aargau finanzierten Schweizer Instituts für Nanowissenschaften an der Universität Basel. Die Arbeit erscheint als speziell ausgezeichneter Artikel in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift «Physical Review Letters».

Originalbeitrag:
Xin Tong, Alexander H. Winney, and Stefan Willitsch
Sympathetic Cooling of Molecular Ions in Selected Rotational and Vibrational States Produced by Threshold Photoionization
Phys. Rev. Lett. 105 (2010), Art. Nr. 143001, Published September 27, 2010 | doi: 10.1103/PhysRevLett.105.143001

Externer Link: www.unibas.ch