Stabil geteilt

Presseinformation der LMU München vom 12.04.2019

LMU-Forscher haben ein neues Protein entdeckt, das bei der korrekten Zellteilung eine entscheidende Rolle spielt.

Die Zellteilung ist ein elementarer Prozess des Lebens, bei dem aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen entstehen. Dabei werden die Chomosomen der Mutterzelle von einem Spindelapparat getrennt, der in tierischen Zellen von zwei Spindelpolen, den Zentrosomen, aufgebaut wird. Fehlerhafte Teilungen haben gravierende Konsequenzen und verursachen schwere Erkrankungen. Wie die Zellteilung auf Ebene der Zentrosomen reguliert wird, steht im Mittelpunkt der Forschung von Dr. Tamara Mikeladze-Dvali vom Biozentrum der LMU. Mit ihrem Team hat die Biologin nun ein Protein identifiziert, das für den korrekten Aufbau des Spindelapparats eine essenzielle Bedeutung hat. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Current Biology.

Ein Zentrosom besteht aus einem Paar zylinderförmiger Zentriolen, die in eine Proteinmatrix eingebettet sind. In der Mutterzelle befindet sich das Zentrosom meist mittig in der Nähe des Zellkerns. Vor der Teilung wird es dupliziert, anschließend werden Spindelfasern gebildet, welche die zwei Zentrosomen in entgegengesetzte Bereiche der Zelle schieben – als Pole der Spindel. Anschließend werden die Chromosomen von den Spindelfasern, die aus den Polen ausstrahlen, auseinandergezogen. Um den dabei wirkenden Zellteilungskräften Widerstand leisten zu können, müssen die Zentrosomen extrem robust sein.

Welche Faktoren dabei eine wichtige Rolle spielen, hat Tamara Mikeladze-Dvali mit ihrem Team anhand von Mutanten des Fadenwurms Caenorhabditis elegans untersucht, in deren DNA nach dem Zufallsprinzip eine Veränderung eingefügt wurde. „Diese Veränderungen können uns zeigen, welche Faktoren eine wichtige Rolle in der Zellteilung spielen“, sagt Mikeladze-Dvali. „Dabei sind wir auf ein bis jetzt unbekanntes Protein gestoßen, das wir als PCMD-1 bezeichnen.“ In weiteren Experimenten markierten die Wissenschaftler dieses Protein in der Zelle und schalteten es mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 gezielt aus. Auf diese Weise konnten sie nachweisen, dass das neue Protein für den korrekten Aufbau des Zentrosoms unentbehrlich ist. Insbesondere ist es wichtig für den Aufbau der aus sogenannten SPD-5-Proteinen bestehenden Proteinmatrix, die die Robustheit und Integrität der Zentrosomen gewährleistet. „Fehlt PCMD-1, hat das verheerende Auswirkungen auf den Aufbau des Spindelapparats und die Zellteilung. Die Zelle kann sich dadurch nicht mehr korrekt teilen“, sagt Mikeladze-Dvali.

Da PCMD-1 eine solch zentrale Funktion hat, haben diese Ergebnisse nach Ansicht der Wissenschaftler große Bedeutung für das generelle Verständnis der Regulierung von Zentrosomen. Fast alle Proteine, die in C. elegans entdeckt wurden, sind auch in höheren Organismen vorhanden. Auch das Matrixprotein SPD-5 hat ein solches Ortholog. Mutationen in diesem Protein sind eine Ursache für genetisch vererbte primäre Mikrozephalie beim Menschen. „Für das Verständnis dieser Entwicklungsstörung ist es wichtig zu wissen, wie das Protein auf der zellulären Ebene reguliert wird“, sagt Mikeladze-Dvali.

Publikation:
Current Biology 2019

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Greifen mithilfe von Wärme und Kälte

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 09.04.2019

Wissenschaftler der Universität Kassel haben gemeinsam mit einer Ausgründung aus der Hochschule ein Produkt entwickelt, das bestimmte Abläufe in automatisierten Fabriken effizienter machen kann. Das Produkt ist beispielhaft für die enge Zusammenarbeit von Wissenschaft und Start-ups in der nordhessischen Großstadt.

Der sogenannte Polygreifer kann auf Roboterarme montiert werden und Werkstücke verschiedener Materialien greifen und tragen. Herzstück ist eine doppelschichtige Platine, die aus einem Aluminiumblech und einem aufgetragenen Spezialpolymer besteht. Diese Material reagiert auf Wärme und Kälte: Wird die Platine erwärmt, verformt sich das Polymer und schmiegt sich in Sekundenschnelle um winzig kleine Unebenheiten, die selbst glatte Materialien wie Glas oder Metalle aufweisen. Nach der Abkühlung der Platine haftet das Werkstück und kann umgesetzt werden. Wird die Platine anschließend erneut erwärmt, wird es wieder freigegeben.

Das thermoplastische Polymer ist eine Entdeckung des Fachgebiets Kunststofftechnik der Universität Kassel. Die technisch anspruchsvolle Verbindung zwischen Aluminium und Polymer entwickelte das Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren (tff). Das Start-up-Unternehmen eta opt, das von einem Absolventen der Universität Kassel gegründet wurde, bringt das Produkt zur Marktreife. Das Land Hessen förderte die Entwicklung des Polygreifers im Rahmen seiner LOEWE-Initiative mit rund 327.000 Euro.

Im Gegensatz zu bisherigen industriellen Greifverfahren wie beispielsweise mit Druckluft oder Vereisung ist der Polygreifer universell einsetzbar; das Material des Werkstücks spielt praktisch keine Rolle und selbst kleine Greifflächen genügen. Das Greifsystem eignet sich besonders für industrielle Produktionsstraßen, die unterschiedliche Produkte fertigen, da Umrüstzeiten entfallen. Gegenüber Druckluft-basierten Verfahren liegt die Energieersparnis bei bis zu 70 Prozent. Prototypen des Polygreifers gibt es bereits, binnen eines Jahres will eta opt das Produkt nun auf den Markt bringen.

Das Fachgebiet tff der Universität (Leitung Prof. Dr.-Ing. Stefan Böhm) forscht in den Bereichen Fertigungs-, Produktions- und Automatisierungstechnik sowie Schweißen, Kleben, Spanen und Strahlen. Das Fachgebiet Kunststofftechnik (Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim) vereint die Forschungsschwerpunkte Werkstofftechnik, Kunststoffprozesstechnik sowie Fügetechnik und Werkstoffverbunde. Die Ingenieurwissenschaften gehören zu den großen Schwerpunkt-Bereichen der nordhessischen Universität.

Förderung für Start-ups „ab dem ersten Geistesblitz“

Die Firma eta opt wurde 2015 von Dr.-Ing. Christoph Pohl gegründet, einem Absolventen und ehemaligen Mitarbeiter der Universität Kassel. Sie hat ihren Sitz im Science Park, in dem junge Unternehmen aus dem Umfeld der Hochschule auf dem Markt Fuß fassen und wachsen können. „Wir fördern vielversprechende Ideen und Start-ups im Grunde ab dem ersten Geistesblitz“, beschreibt es Kanzler Dr. Oliver Fromm, im Präsidium der Universität zuständig für Wissenstransfer. „Die Erfolgsgeschichte von eta opt zeigt beispielhaft, wie sich Beratung, die Anbahnung von Netzwerken, die Vermittlung von Stipendien und Förderprogrammen und die Zusammenarbeit mit der Forschung im Umfeld unserer Universität auszahlen. Hinzu kam hier eine großzügige Förderung des Landes, die es auch jungen Unternehmen ermöglicht, kapitalintensive Entwicklungen zu stemmen.“

Die Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz LOEWE ist ein Programm, mit dem das Land Hessen seit 2008 seine Forschungslandschaft stärkt und herausragende wissenschaftliche Verbundvorhaben fördert. Eine der Förderlinien unterstützt die Zusammenarbeit zwischen kleinen und mittleren Unternehmen und Hochschulen in der angewandten Forschung.

Der Science Park auf dem Campus der Universität Kassel ist ein Projekt von Universität und Stadt Kassel und der Sitz von zur Zeit etwa 20 jungen Unternehmen aus dem Umfeld der Hochschule. Bereits kurz nach der Einweihung 2015 war er weitgehend ausgebucht.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Saar-Universität vergibt Lizenz für ein geschütztes augenchirurgisches Instrument

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 08.04.2019

Ein neues Instrument zur Vereinfachung von Hornhauttransplantationen wurde jetzt von der Geuder AG, einem der führenden Hersteller für augenchirurgische Instrumente, lizenziert. Die Universität des Saarlandes hatte die Erfindung von Dr. Shady Suffo als Gebrauchsmuster schützen lassen. Es handelt sich dabei um einen neuartigen Hornhautmarkierer, der bei der so genannten Keratoplastik, also der Hornhauttransplantation, zum Einsatz kommt. Diese ist eine relativ häufige und an vielen Kliniken durchgeführte Augenoperation. Allein am saarländischen Universitätsklinikum gab es im vergangenen Jahr über fünfhundert dieser Operationen. Die Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen war für die Vermarktung der Erfindung verantwortlich.

Bei einer Hornhauttransplantation wird die erkrankte Hornhaut durch eine gesunde Spenderhornhaut ersetzt. Es wird dabei eine Kreuzstichnaht erzeugt, um die Hornhaut dauerhaft am Augapfel zu fixieren. Diese Technik, die „Kreuzstichnaht nach Hoffmann“, stellt für ungeübte Operateure eine große Hürde dar. Schon seit einiger Zeit sind daher verschiedene Hilfsmittel, so genannte Hornhautmarkierer, auf dem Markt erhältlich. Durch die Erfindung von Dr. Shady Suffo werden gleich mehrere Probleme der bestehenden Hilfssysteme gelöst. Zum einen entfällt die Schwierigkeit, das Instrument per Augenmaß zu zentrieren. Zum anderen wird die Markierung auf punktuelle Weise erzeugt, so dass es für den Operateur nun wesentlich einfacher ist, die Stichtiefe während des Nahtvorgangs zu erkennen.

Die Erfindung wurde durch die Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen als Gebrauchsmuster für die Universität des Saarlandes geschützt. Das Gerät wurde bereits erfolgreich getestet und von Dr. Shady Suffo in Workshops mit Nachwuchsärzten eingesetzt. Kürzlich hat sich nun die Firma Geuder entschlossen, ihre Produktpalette um den „Kreuzstichnahtmarker nach Suffo“ zu erweitern.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Wasserwellen und Quantensplitter

Presseaussendung der TU Wien vom 26.03.2019

Wasserwellen in einem Glas sind etwas ganz anderes als die Scherben, in die das Glas zerbricht. Aber in der Quantenphysik ultrakalter Atome ist beides verwandt, zeigt eine Studie mit Beteiligung der TU Wien und der Universität Wien.

Wenn man ein Wassergefäß sanft schüttelt, werden an der Wasseroberfläche charakteristische Wellenmuster sichtbar – man bezeichnet sie als „Faraday-Wellen“. Denselben Effekt konnte ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der TU Wien nun auch in einer Wolke ultrakalter Atome nachweisen. Allerdings gibt es hier noch eine bemerkenswerte Besonderheit: Unter bestimmten Bedingungen kann man die Atomwolke dazu bringen, auf zufällige, unvorhersagbare Weise zu zerbrechen, wie ein Glas, das in Scherben zersplittert. Diesen spontanen Zerfall nennt man „Granulation“. Aus dem Zusammenhang zwischen den Faraday-Wellen und der Granulation kann man einiges über komplizierte quantenphysikalische Vielteilchen-Phänomene lernen. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review X“ publiziert.

Zufall oder nicht?

„Granulation ist normalerweise ein Zufallsprodukt, das man bei festen Körpern beobachtet – wie das Zerbrechen von Glas oder das Pulverisieren eines Steins in unterschiedlich große Körner“, sagt Axel Lode, der am Atominstitut der TU Wien und am Wolfgang Pauli Institut an der Uni Wien arbeitet. „Faraday-Wellen hingegen sind nicht zufällig. Bei ihnen handelt es sich um regelmäßige, stehende Wellen, die immer wieder genau gleich aussehen, wenn man eine Flüssigkeit auf dieselbe Weise schüttelt.“

Erstaunlicherweise lassen sich aber die quantenphysikalischen Versionen beider Phänomene in ein und demselben Quantensystem hervorrufen. Dafür verwendete man eine Wolke von Lithium-Atomen. Sie werden zunächst bis knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt, sodass sie einen gemeinsamen Quantenzustand annehmen und ein sogenanntes „Bose-Einstein-Kondensat“ bilden.

Durch ein schwaches, langsam oszillierendes Magnetfeld kann man in diesem Bose-Einstein-Kondensat Faraday-Wellen erzeugen – auf klar vorhersagbare und wiederholbare Weise. „Wenn man dieses Magnetfeld allerdings verstärkt und gleichzeitig seine Frequenz senkt, passiert etwas Erstaunliches“, berichtet Axel Lode. „Die Atomwolke zerbricht an zufälligen Positionen.“ Aus dem Kondensat, in dem alle Atome streng quantenphysikalisch miteinander verbunden sind und exakt im gleichen Takt schwingen, werden unterschiedliche Quanten-Körner, deren Größe und Position vom Zufall bestimmt ist.

Gemessen wurde das an der Rice University in Houston, Texas, mit Unterstützung von Forschungsteams aus Brasilien und Österreich. „Es wurden sogenannte single-shot-Bilder aufgenommen, also, ganz simpel gesagt, Fotos vom Quantenzustand der Atomwolke“, erklärt Axel Lode. So lange sich im Kondensat Faraday-Wellen ausbildeten, sahen diese Bilder jedes Mal gleich aus. Doch wenn es zur Granulation kommt, sieht das Bild immer völlig anders aus, auch wenn man das Experiment völlig gleich durchführt.

Computersimulation der Quantenkorrelationen

Das hat mit Quantenkorrelationen zu tun – mit den komplizierten Zusammenhängen zwischen Quantenteilchen, die sich mathematisch nur sehr schwer beschreiben lassen. Axel Lode entwickelte an der TU Wien die nötige Software, um das Vielteilchensystem mit seinen Quantenkorrelationen zu beschreiben und so die Messergebnisse korrekt deuten zu können. Das Verhalten von Quanten-Vielteilchensystemen gehört nach wie vor zu den großen ungelösten Rätseln der Physik. Zwar ist die Gleichung bekannt, an die sich die Quantenteilchen zu halten haben – nämlich die Schrödingergleichung, doch machen die Quantenkorrelationen den Zustand der Teilchen viel zu kompliziert, als dass man ein System von hunderten oder gar tausenden Quantenteilchen exakt beschreiben könnte. Zu klären, wie Quantensysteme aus Teilsystemen aufgebaut sind, wie sie miteinander zusammenhängen und wie ein großes System in kleinere, unabhängige Teile zerfallen kann, spielt für die Forschung an den Grundlagen der Physik daher eine wichtige Rolle. Die Forschungsarbeit wird an der TU Wien weiter fortgesetzt: Axel Lode leitet nun ein vom FWF finanziertes Einzelprojekt, das weitere Rätsel rund um diese Vielteilchensysteme lösen soll. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Nguyen et al., Phys. Rev. X 9, 011052 (2019)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Alarm! Wie verletzte Pflanzenzellen ihre Nachbarn warnen

Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.03.2019

Alle Organismen können verletzt werden. Aber was passiert eigentlich, wenn eine Pflanze verletzt wird? Wie kann sie heilen und Infektionen vermeiden? Über die Mechanismen der Wundreaktion bei Pflanzen berichtet ein internationales Forschungsteam von der Universität Basel und der Universität Gent in der Fachzeitschrift «Science». Die Erkenntnisse über das pflanzliche Immunsystem kann für neue Ansätze im nachhaltigen Pflanzenbau genutzt werden.

Im Fall einer Verletzung reagieren Pflanzen mindestens genauso schnell wie Tiere und Menschen. Sie besitzen ein hochentwickeltes zelluläres Kommunikationssystem, das innerhalb von Sekunden Alarm schlägt. Dabei setzen die Pflanzenzellen ein spezifisches Hormon frei, um Prozesse der Wundheilung und Infektionsabwehr in Gang zu bringen. Als Modellpflanze diente in der vorliegenden Studie die sogenannte Ackerschmalwand, auch bekannt unter dem Namen Arabidopsis thaliana. Die Ergebnisse wurden von der Forschungsgruppe um Prof. Thomas Boller vom Fachbereich Botanik an der Universität Basel sowie Forschenden der Universität Gent, Belgien, erarbeitet.

Calcium-Welle aktiviert Wundhormone

Um die Wundreaktion der Modellpflanze besser zu verstehen, fokussierten die Forschenden einen kurzen Puls eines hochpräzisen Laserstrahls auf einzelne Wurzelzellen. Innerhalb von Sekunden löste diese lokale Verletzung einen starken Anstieg von Calcium-Ionen in den betroffenen Zellen aus. Diese «Calcium-Welle» führte wiederum zur Aktivierung eines proteinspaltenden Enzyms, der sogenannten «Metacaspase 4», welches in der Lage ist, ein Wundhormon aus dem Vorläuferprotein freizusetzen und so die Nachbarzellen zu alarmieren.

Dabei waren die Forschenden besonders überrascht, dass das Alarmsystem der Pflanze so schnell und spezifisch auf Verwundung reagiert. Doktorand Tim Hander aus dem Forschungsteam von Prof. Boller rechnete zunächst mit Viertelstunden, dann mit Minuten und schlussendlich mit Sekunden. Zur Überprüfung der Ergebnisse stellten die Forschenden weiterhin eine experimentelle Mutante der Pflanze her, der die Metacaspase 4 fehlte. Diese war nicht in der Lage, das Wundhormon zu produzieren und den Alarm an die Nachbarzellen weiterzugeben.

Erkenntnisse für nachhaltigen Pflanzenbau nutzen

Die Forschenden weisen darauf hin, dass die gewonnen Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Ansätze im nachhaltigen Pflanzenbau dienen könnten. «Wenn man Alarmreaktionen besser versteht, dann lässt sich dieses Wissen nutzen, um Pflanzen effektiver vor Schädlingen zu schützen – indem man in der Pflanzenzüchtung daraufhin arbeitet, die Freisetzung des Wundhormons und seine Wahrnehmung durch die entsprechenden Rezeptoren zu verstärken», so Prof. Boller.

Herkömmliche Zuchtstrategien von Lebens- oder Futtermitteln priorisieren in der Regel Ertrag und Qualität in Kombination mit intensivem Pestizideinsatz, ohne das pflanzliche Immunsystem zu berücksichtigen. Mit der Identifizierung der Metacaspasen als essentiellen Katalysatoren einer effizienten natürlichen Abwehrreaktion entstehen potenziell neue Möglichkeiten für den Pflanzenbau.

Originalarbeit:
Tim Hander, Álvaro D. Fernández-Fernández, Robert P. Kumpf, Patrick Willems, Hendrik Schatowitz, Debbie Rombaut, An Staes, Jonah Nolf, Robin Pottie, Panfeng Yao, Amanda Gonçalves, Benjamin Pavie, Thomas Boller, Kris Gevaert, Frank Van Breusegem, Sebastian Bartels, Simon Stael
Damage on plants activates Ca2+-dependent metacaspases for release of immunomodulatory peptides
Science (2019), doi: 10.1126/science.aar7486

Externer Link: www.unibas.ch