Archiv der Kategorie: Forschungsgesellschaft

Anstandsdame vermittelt Kontakt

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 20.11.2009

Max-Planck-Wissenschaftler verstehen nun besser, welche Prozesse die korrekte Faltung von Proteinen begünstigen und damit ihre Effizienz erhöhen

Um funktionstüchtig zu sein, müssen Proteine, welche aus Aminosäureketten bestehen, in eine bestimmte Struktur gefaltet werden. Bei diesem Prozess helfen Chaperone, die kurzzeitig an Proteine binden, und so eine falsche dreidimensionale Form verhindern. Spezielle Enzyme (Isomerasen), wirken darüber hinaus lokal auf die Struktur der Aminosäureketten. Das Zusammenspiel dieser Funktionen haben Wissenschaftler der Universität Bayreuth und Max-Planck-Wissenschaftler in Halle aufgeklärt. Die Chaperon-Untereinheit der untersuchten Faltungshelfer ist notwendig, um die sehr spezifische Isomeraseaktivität auf verschiedenartige Proteine anzuwenden. Die Kombination beider Funktionen in einem Enzym führt zu hocheffizienten Faltungshelfern. (PNAS, Early Edition, 17. November 2009)

Proteine gehören zu den wichtigsten Bausteinen des Lebens. Die Aminosäuresequenz für jedes Protein ist im Erbgut der Zelle festgeschrieben. Diese Sequenz von perlschnurartig aneinandergereihten Bestandteilen muss, um ihre biologische Funktion erfüllen zu können, zunächst in eine definierte dreidimensionale Struktur gebracht werden. Diese Faltungsprozesse sind komplex und bis heute nicht im Detail verstanden. Wird ein Protein nicht korrekt gefaltet, kann dies zu zahlreichen Krankheiten führen, wie zum Beispiel der Alzheimer-Krankheit.

Die Bindung zwischen zwei Aminosäuren kann in zwei verschiedenen Zuständen vorliegen, als trans- beziehungsweise cis-Form. Während die trans-Form eine eher gestreckte Fortführung der Peptidkette erlaubt, führt die cis-Form einen Knick in die Peptidkette ein. Das Drehen an dieser Bindung ist abhängig von speziellen Enzymen, den Isomerasen. Der Vorgang ist besonders wichtig bei der Aminosäure Prolin, da diese in entfalteten Eiweißen überwiegend in der trans-Form vorliegt, im gefalteten Zustand jedoch oft in der cis-Form. Bei der Faltung muss somit in vielen Fällen eine Umwandlung zwischen beiden Formen stattfinden. Dieser Prozess ist, wenn die nötigen Enzyme fehlen, sehr langsam. Statt im Bruchteil einer Sekunde, nehmen die Proteine ihre funktionelle dreidimensionale Struktur erst in Minuten bis Stunden ein.

Eine weitere Klasse von Faltungshelfern, die Chaperone, verhindern, dass die Proteine falsch gefaltet werden. Ein falsch gefaltetes Protein geht dem Organismus als funktionelle Einheit verloren, da es seine biologische Funktion nicht ausüben kann und somit eine sinnlose Investition darstellt. Chaperone eskortieren die Proteine – als Anstandsdamen in der Zelle – förmlich zum korrekt gefalteten Zustand.

Einige Faltungshelfer vereinigen nun die Eigenschaften von Prolylisomerasen und Chaperonen. Diese Enzyme sind modular aus verschiedenen Untereinheiten aufgebaut. Unklar war bisher der Grund für das häufige gemeinsame Auftreten dieser beiden Funktionen. Schon lange hingegen war bekannt, dass die Effizienz der Beschleunigung des cis/trans-Übergangs durch einen häufig vorkommenden Typ der Prolylisomerasen (FKBPs) stark von der chemischen Struktur der Aminosäure abhängt, welche in der Peptidkette dem Prolin unmittelbar vorangeht. Insbesondere wird die cis/trans-Umwandlung an Aminosäuren, die sich bevorzugt auf der Proteinoberfläche befinden, sehr schlecht katalysiert. Dies sollte für eine effiziente Funktion in der Proteinfaltung kontraproduktiv sein.

Faltungshelfer im Duett

Die neuen Untersuchungen zeigen nun, dass Faltungshelfer Proteinketten mit unterschiedlichsten Aminosäuren vor dem Prolin praktisch gleich gut umsetzen, wenn neben einer Prolylisomerase eine zusätzliche Chaperon-Untereinheit vorliegt. „Einigen Enzymen muss ihr Substrat anscheinend mundgerecht gereicht werden“, erklärt Tobias Aumüller von der Max-Planck-Forschungsstelle für Enzymologie der Proteinfaltung dieses Ergebnis. Die Wissenschaftler beschreiben einen Mechanismus, wie diese Enzyme ihre beiden Untereinheiten einsetzen, um optimal als Faltungsenzyme arbeiten zu können. Zunächst fängt die Chaperon-Untereinheit die ungefalteten Ketten ein und gibt diese an die Prolylisomerase-Untereinheit weiter. Diese Weitergabe erleichtert der Prolylisomerase-Untereinheit ihre Arbeit. Der Schritt, der nun bestimmt, wie schnell das Enzym arbeitet, ist vermutlich der Transfer zwischen beiden Funktionszentren, der aber zügig vonstatten geht.

Zu ihrem Ergebnis kamen die Wissenschaftler, indem sie verschiedene Enzyme verglichen: Solche, die nur die Prolylisomerase-Untereinheiten besitzen, und solche, bei denen sie an die katalytische Untereinheit eine Chaperon-Untereinheit gesetzt hatten. Um die Vorliebe der beiden Enzymvarianten für unterschiedliche Substrate zu beschreiben, bildeten sie Ketten von Aminosäuren, die jeweils vor dem Prolin eine der anderen 20 Aminosäuren aufweisen. In Halle wurde eine solche Bibliothek aus Peptiden, also kurzen Sequenzen, erstellt, in Bayreuth eine aus Modellproteinen. Aus der Verbindung der Ergebnisse konnten sie dann ihre Erkenntnisse ziehen.

In Abwesenheit einer Chaperon-Untereinheit war die Isomeraseaktivität sowohl gegenüber kurzen Peptiden als auch gegenüber faltenden Proteinketten sehr stark von der Sequenzumgebung des Prolins abhängig. In ihrer Gegenwart war die Aktivität in der Proteinfaltung enorm erhöht und praktisch unabhängig von der chemischen Natur der Aminosäure vor dem Prolin. Die gute Bindung ungefalteter Proteinketten an die Chaperondomäne sorgt also dafür, dass ihre Faltung gut und sequenzunabhängig durch Faltungsenzyme bescheunigt wird. [HW / BA]

Originalveröffentlichung:
Roman P. Jakob, Gabriel Zoldak, Tobias Aumüller, and Franz X. Schmid
Chaperone domains convert prolyl isomerasesinto generic catalysts of protein folding
PNAS, Early Edition, 17. November 2009

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Historie in 3-D

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom November 2009

Dreidimensionale Computergrafiken halten Einzug ins Museum: Kunstgegenstände sollen in einem digitalen Archiv räumlich dargestellt werden. Das erleichtert Forschern die Suche nach ähnlichen Museumsexponaten und bietet Laien eine faszinierende 3-D-Schau.

Wer keine Zeit hat, nach Florenz zu reisen, der kann sich Michelangelos David-Statue im Internet anschauen. Dort rotiert David lebensecht in 3-D um seine Achse. Das lässt erahnen, was Forscher derzeit im europäischen Verbundprojekt 3D-COFORM entwickeln: ein virtuelles Archiv für Kunstgegenstände der Welt, das das museale Erbe der Menschheit digitalisieren soll. Vasen, historische Speere oder gar ganze Tempel lassen sich dreidimensional darstellen. Museumsbesucher werden damit in einigen Jahren römische Amphoren am Bildschirm drehen oder um Tempel herumfliegen können. Die virtuelle Sammlung wird vor allem Wissenschaftlern die Suche nach Vergleichsobjekten erleichtern, die von denselben Künstlern oder Völkern stammen oder vergessen in Museumskellern lagern. Das Archiv soll intelligent sein und die gespeicherten Objekte allein finden und verknüpfen. Auf Befehle wie »Zeige mir griechische Vasen aus dem sechsten Jahrhundert vor Christus mit mindestens zwei Henkeln« wird die Datenbank Exponate aus verschiedensten Sammlungen der Welt präsentieren.

Heute sind gedruckte Kataloge mit Fotos oder schriftliche Beschreibungen von Objekten Standard. Doch die Dreidimensionalität bietet große Vorteile, denn ein 3-D-Datensatz enthält den Blick auf alle Seiten des Objekts. Er liefert Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit oder den Zustand einer Farbe – wertvolle Daten für Restauratoren. Wie die David-Statue zeigt, gibt es schon heute eindrucksvolle 3-D-Animationen von Kunstobjekten. »Von einer sinnvollen Verknüpfung dreidimensionaler Daten verschiedener Objekte jedoch sind wir weit entfernt«, sagt Dr. André Stork, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt und Partner im 3D-COFORM-Konsortium.

Stork und sein Team generieren die 3-D-Modelle und bereiten sie für das digitale Archiv auf. »So ein 3-D-Scan ist nichts anderes als eine Wolke von Messpunkten. Erst durch Nachbearbeitung wird daraus ein echtes Abbild des Gegenstands«, sagt Stork. Die Forscher entwickeln Rechenvorschriften, die aus den Messdaten das eigentliche Objekt herauslesen. Sie müssen bestimmte Strukturen korrekt identifizieren – Arme von Statuen oder Säulen am Gebäude. Auch wiederkehrende Muster auf Vasen soll die Software erkennen. Zur virtuellen Präsentation gehört auch eine detailgetreue Darstellung: Das Abbild eines Tempels macht wenig Sinn, wenn man ihn nicht zusammen mit dem Schattenspiel seiner Säulen betrachten kann. Die Darmstädter kombinieren daher verschiedene Verfahren, um Lichteffekte zu simulieren.

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Dem ultrafeinen Staub auf der Spur

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Oktober 2009

Grenzwerte für Feinstaubemissionen richten sich nach dem Gesamtgewicht der Partikel. Aber besonders die leichten ultrafeinen Partikel sind gesundheitsschädlich. Ein neues Verfahren trennt sie nach Größe und bestimmt ihre Zusammensetzung – direkt am Ort der Entstehung.

Die Debatte um Feinstaubemissionen erhitzt seit Jahren die Gemüter. Vor allem Anwohner von Industrieanlagen fragen sich häufig: Wie schädlich ist das, was dort aus dem Schornstein aufsteigt? Anlass zur größten Sorge ist jedoch nicht immer das, was man sieht. Vielmehr bergen besonders die kleinen Feinstaubpartikel ein erhöhtes Gesundheitsrisiko, da sie leicht in den menschlichen Organismus eindringen. Die ultrafeinen Partikel sind jedoch nur schwer messbar, da sie lediglich einen Durchmesser von weniger als 100 Nanometern haben.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen haben ein Verfahren etabliert, mit dem sie die Zusammensetzung solcher Partikel genau analysieren können. »Bisher richten sich die gesetzlichen Grenzwerte für Feinstaubemissionen nach dem Gesamtgewicht der Partikel«, sagt Dr. Cord Fricke-Begemann, Projektleiter am ILT. »Doch große Partikel sind viel schwerer als kleine. Mit Gewichtsmessungen kann man keinerlei Aussage darüber treffen, welche Menge an ultrafeinen Partikeln sich im Feinstaub befinden. Dabei sind diese oft gesundheitsschädlicher als die großen.«

Das Messverfahren der Forscher besteht aus zwei Schritten: Zunächst trennen sie die Partikel mit Hilfe eines Gasstroms nach Größenklassen und sammeln sie auf Filtern. Anschließend untersuchen sie deren Zusammensetzung mit der Laser-Emissionsspektroskopie. »So können wir bestimmen, welche schädlichen Schwer- und Übergangsmetalle sich im Feinstaub befinden, etwa Zink, und in welcher Partikelgröße sie sich besonders anreichern«, sagt Fricke-Begemann. Die Besonderheit der Methode: Sie liefert die Ergebnisse in weniger als 20 Minuten. Zudem erlaubt sie einen hohen Durchsatz und eine direkte Messung vor Ort – etwa in Stahlwerken. Dort lassen sich die Emissionswerte während der Produktion mit einer Weiterentwicklung des Verfahrens sogar »online«, also in Echtzeit, messen und überwachen. Dazu werden die Partikel ständig über ein Luftrohr eingesogen und analysiert.

Jede Industrieanlage produziert Feinstaubemissionen. Dabei hinterlässt jedes Verfahren einen charakteristischen »Fingerabdruck«, der etwas über die Zusammensetzung und Größenverteilung der Partikel verrät. Dank ihrer Messmethode können die Wissenschaftler die Luft in angrenzenden Wohnbereichen überprüfen und feststellen, woher die Partikel kommen. Und sie können helfen, Strategien zur Emissionsreduzierung für die untersuchten Anlagen zu erstellen.

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Quantenlimitierte Messmethode für Nanosensoren

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 14.10.2009

Wissenschaftler wenden optische Methoden auf nanomechanische Objekte an

Neue Fertigungstechniken ermöglichen es, mechanische Bauelemente auf Siliziumchips herzustellen, die nur noch Nanometer (ein Millionstel mm) groß sind. Ihre Anwendung ist allerdings noch dadurch eingeschränkt, dass keine ausreichend genauen Messverfahren für diese winzigen Bauteile zur Verfügung stehen. Einen grundsätzlich neuen Ansatz hat jetzt ein Team um Tobias Kippenberg vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und Jörg Kotthaus von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) erfolgreich getestet. (Nature Physics, 11. Oktober 2009, online vorab veröffentlicht)

Eine Schlüsselrolle darin spielen auf Siliziumchips gewachsene Glaszylinder mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern, die in ihrem Innern Licht für geraume Zeit speichern können. Wie die Wissenschaftler zeigten, können Nanooszillatoren mit dem aus dem Toroid dringenden optischen Nahfeld sowohl ausgelesen als auch zu Schwingungen angeregt werden. Die Genauigkeit dieser Messungen ist nur durch die Quantenfluktuationen des Lichts limitiert. Bereits bei Raumtemperatur werden deshalb Empfindlichkeiten erreicht, die in der Größenodnung des quantenmechanischen Grundzustandsrauschens der Oszillatoren sind, d.h. dem Standard- Quantenlimit entsprechen. Die neue Messmethode ist somit für die Grundlagenforschung von großem Interesse. Aber auch Anwendungen wie der Nachweis einzelner Atome bzw. Ladungen oder auch die Massenspektrometrie können von den Messungen profitieren.

Nanomechanische Oszillatoren sind ideale Kandidaten, um die Quantengrenzen mechanischer Schwingungen experimentell zu testen. Darüber hinaus sind sie die Grundlage für eine Reihe von Präzisionsmessungen und ein fester Bestandteil in Magnetkraft- und Rasterkraftmikroskopen. In den vergangenen 10 Jahren wurde der Entwicklung empfindlicher Auslesetechniken für immer kleinere und dadurch sensitivere Oszillatoren eine hohe Aufmerksamkeit geschenkt. Optische Methoden erreichten hierbei die besten Werte, waren aber auf Objekte größer als die Wellenlänge beschränkt. Für nanoskalige Objekte anwendbare, elektronische Methoden erreichten bisher nur eingeschränkte Präzision.

Die MPQ und LMU-Physiker haben jetzt mit Hilfe optischer Methoden erstmals quantenlimitierte Messungen an nanoskaligen Oszillatoren erreicht. Dies war bisher nicht möglich, da es bei Objekten, die kleiner als die Wellenlänge des Lichtes sind, zu Beugungsverlusten kommt. Im vorliegenden Experiment wird dieses Problem dadurch umgangen, dass im optischen Nahfeld gearbeitet wird. Schlüsselbaustein ist ein zylindrischer Resonator aus Glas mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern. Dieses Mikrotoroid kann Licht speichern, wenn dessen Wellenlänge hineinpasst, d.h. in einem ganzzahligen Verhältnis zum optischen Umfang des Resonators steht. Ein kleiner Teil des gespeicherten Lichts, das sogenannte Nahfeld, „leckt“ aus dem Resonator heraus und dient als Messsonde für die Nanooszillatoren – eine Anordnung parallel gespannter Siliziumnitrid-Saiten, die typischerweise 100 Nanometer mal 500 Nanometer dick und 15 bis 40 Mikrometer lang sind. (Nanosaiten und Mikrotoroide wurden in den Reinräumen von Jörg Kotthaus an der LMU und an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne hergestellt.)

Bringt man die Nanoszillatoren in das Nahfeld, das sich einige Hundert Nanometer weit von der Oberfläche der Toroide erstreckt, so können sie mit dem Mikrotoroid wechselwirken. Die Nanooszillatoren wirken dabei auf das optische Nahfeld wie ein Dielektrikum, d.h. sie verändern lokal den Brechungsindex. Dies führt wiederum zu einer Verschiebung des optischen Umfangs und damit der Resonanzfrequenzen des Mikrotoroids. Die Verschiebung der optischen Resonanzen durch die Nanooszillatoren ist hierbei so groß, dass allein deren Brownsche Bewegung einen starken, deutlich messbaren Einfluss hat und die Bewegung der Saiten mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Die dabei erreichte Empfindlichkeit für Abstandsänderungen ist von der gleichen Größenordnung wie die quantenmechanisch bedingten Fluktuationen, die man für nanomechanische Oszillatoren beim absoluten Temperaturnullpunkt erwartet und die dem sogenannten Standard-Quantenlimit für Abstandsmessungen entsprechen.

Die hohe Empfindlichkeit für die Bewegung nanoskaliger Objekte sei allerdings nur ein Aspekt des neuen Verfahrens, betont Georg Anetsberger, der in der Gruppe von Tobias Kippenberg promoviert. Ebenso wichtig sei der erstmalige Nachweis, dass auch nanoskalige Objekte durch die Kraft von Photonen, den Strahlungsdruck, direkt beeinflusst, z.B. gekühlt oder in Schwingung versetzt werden können. „Wir beobachten, dass die Dipolkraft des optischen Nahfelds zu einer dynamischen Rückwirkung führt, welche die Nanosaiten zu kohärenten laserähnlichen Schwingungen anregt.“

Die hier verwendete Methode lässt sich praktisch auf alle nanoskaligen mechanischen Oszillatoren anwenden, was deren Einsatz als hochempfindliche Sensoren weiter verbessern könnte. Für Tobias Kippenberg zeigt sich daran wieder einmal die Vielseitigkeit der Mikrotoroide, die seit einigen Jahren im Zentrum seiner Forschung stehen. „Wir haben hier eine experimentelle Plattform entwickelt, die die Anwendungsmöglichkeiten nanomechanischer Bauelemente deutlich erweitern könnte. Zudem bietet sie eine Schnittstelle, an der Photonen und Phononen so optimiert miteinander wechselwirken, dass quantenmechanische Effekte bei Raumtemperatur messbar werden könnten.“ [OM/GA]

Originalveröffentlichung:
G. Anetsberger, O. Arcizet, Q. P. Unterreithmeier, R. Rivière, A. Schliesser, E. M.Weig, J. P. Kotthaus und T. J. Kippenberg
Near-field cavity optomechanics with nanomechanical oscillators
Nature Physics, Advance Online Publication, DOI: 10.1038/NPHYS1425

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Energieautarke Sensoren fürs Flugzeug

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Oktober 2009

Die Flugzeugwartung soll künftig vereinfacht werden: Sensoren überwachen die Flugzeughülle. Entdecken sie Beulen oder Risse, funken sie dies an eine Überwachungseinheit. Die nötige Energie gewinnen sie aus dem Temperaturunterschied zwischen Umgebung und Innenraum.

Fliegt ein Vogel gegen ein Flugzeug, hat das oft nicht nur für das gefiederte Lebewesen fatale Folgen: Der Aufprall kann die Struktur des Flugzeugrumpfs verformen – es können Spannungen im Material und später Risse entstehen. Künftig sollen Sensoren in der Flugzeughülle solche Schäden frühzeitig aufspüren und die Wartung und Reparatur vereinfachen. Die Sensoren sind leicht – Kabel und Batterien brauchen sie nicht. Die nötige Energie gewinnen sie aus dem Temperaturunterschied zwischen der Umgebung mit etwa minus 20 bis minus 50 Grad Celsius und der Passagierkabine mit etwa plus 20 Grad Celsius. Da man keine Batterien wechseln muss, lassen sich die Sensoren auch an unzugänglichen Stellen anbringen.

EADS Innovation Works leitet das Entwicklungskonsortium. Um die Energieversorgung der Sensoren kümmern sich Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg. »Wir verwenden thermoelektrische Generatoren, die die Micropelt GmbH zusammen mit uns entwickelt, und adaptieren sie so, dass sie effizient arbeiten«, sagt Dr. Dirk Ebling, Wissenschaftler am IPM. Thermoelektrische Stoffe sind Halbleiter, bei denen ein Temperaturunterschied eine elektrische Spannung hervorruft. Schaltet man viele thermoelektrische Elemente hintereinander, reicht die Energie, um kleine Sensoren zu versorgen -, sowie für eine Funkeinrichtung, die die Ergebnisse der Messungen an eine zentrale Einheit sendet. »Zudem optimieren wir den Wärmefluss«, nennt der Forscher eine weitere Aufgabe. Wie koppelt man den thermoelektrischen Generator so an die warme und kalte Seite an, dass genügend Wärme durch ihn transportiert wird? Um dies zu testen, haben die Wissenschaftler eine Klimakammer eingerichtet, in der das Temperaturprofil des Flugzeugrumpfs nachempfunden ist. Erste optimierte Prototypen existieren bereits. In etwa drei Jahren soll ein Prototyp des gesamten Systems, Sensor, thermoelektrischer Generator, Energiespeicher, Ladeelektronik und Funkmodul, entwickelt sein – damit könnte das System in eine Serienfertigung gehen.

Die Anwendungen für energieautarke Sensoren sind zahlreich: Im Auto könnten sie dabei helfen, Gewicht zu sparen, denn schwere Kabelzuleitungen sind überflüssig. Auch bei der Überwachung von Altbauten sind die Sensoren hilfreich: Sie lassen sich einfach an die Wände kleben, wo sie dann beispielsweise die Feuchtigkeit messen. Selbst im medizinischen Bereich sind sie denkbar: So könnten Sportler etwa ihren Puls über ein in das T-Shirt integriertes Sensorsystem messen oder Hörgeräte ihre Energie aus der Körperwärme beziehen.

Externer Link: www.fraunhofer.de