Krebs und Infektionskrankheiten: Neues Verfahren steigert Produktion von Naturstoffen

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.05.2015

Ob in Algen, Pilzen oder im Holz – in der Natur gibt es eine Reihe von Substanzen, die zunehmend in den Blickpunkt der Forschung rücken. Diese Naturstoffe sollen etwa vor Krankheitserregern oder Krebs schützen. Das Problem: Um ihre exakte Wirkung in Studien zu untersuchen, müssten sie in größeren Mengen vorhanden sein. Abhilfe können hier Biotechnologen um Professor Christoph Wittmann von der Saar-Uni schaffen: Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie den Naturstoff Deoxyviolacein in ausreichender Menge in Bakterienkulturen herstellen. Auch andere dieser Substanzen lassen sich so produzieren. Die Studie wurde von der Fachzeitschrift „Biotechnology & Bioengineering“ veröffentlicht und als bedeutend eingestuft.

Im Kampf gegen multiresistente Keime oder bösartige Tumore versagen herkömmliche Therapien und Wirkstoffe oftmals. Gefragt sind daher neuartige Substanzen wie zum Beispiel die Naturstoffe Deoxyviolacein und Violacein, die in Algen vorkommen. „Studien haben gezeigt, dass sie Tumore abtöten, aber auch Krankheitserreger in Schach halten können“, berichtet Professor Christoph Wittmann vom Institut für Systembiotechnologie an der Universität des Saarlandes. Damit Forscher aber mehr über die exakte Wirkweise erfahren, müssten die Substanzen in viel größeren Mengen vorliegen.

Wittmann und sein Team haben nun ein Verfahren entwickelt, in dem sie Deoxyviolacein in großer „Stückzahl“ produzieren. „Wir nutzen dazu Escherichia coli-Bakterien, deren Stoffwechsel wir derart verändern, dass die Mikroorganismen den Naturstoff herstellen“, sagt Wittmann. Als Grundlage dient den Wissenschaftlern dabei die Aminosäure Tryptophan, die bei den Bakterien in natürlicher Form vorkommt und den Mikroorganismen als Ausgangsstoff für die Produktion dient.

Um den Wirkstoff in größeren Mengen zu erhalten, haben die Forscher zudem dafür gesorgt, dass die kleinen Zellfabriken in idealen Bedingungen wachsen können. „Dabei haben wir beispielsweise Faktoren wie Nährstoffzufuhr, Temperatur und pH-Wert berücksichtigt und untersucht, wie die Parameter eingestellt sein müssen, damit die Mikroorganismen optimal wachsen“, so der Professor.

Haben die Bakterien die Substanz produziert, können die Forscher „ihre Ernte einfahren“: In einem biotechnologischen Verfahren trennt das Team um Wittmann den Naturstoff von anderen Zellbestandteilen ab. „Mit der Methode erhalten wir bei einem Liter Bakterienlösung ein Gramm hochreines Deoxyviolacein, das in Form von Kristallen vorliegt“, berichtet Wittmann. Nur durch die Kombination des veränderten Stoffwechsels und der Verbesserung der Wachstumsbedingungen sei diese große Ausbeute möglich, sagt der Biotechnologe weiter.

Die Naturstoffe stehen so in ausreichender Menge für umfangreiche Studien zur Verfügung. Auch Violacein und weitere Naturstoffe können mit dem biotechnologische Verfahren hergestellt werden, wie der Saarbrücker Professor erläutert: „Tryptophan ist Ausgangstoff vieler Substanzen, die sich so relativ einfach produzieren lassen.“ Darüber hinaus ist es denkbar, die Methode in größerem Maßstab industriell einzusetzen, falls sich eine therapeutische Wirkung eines Naturstoffes in medizinischen Studien belegen lässt.

Die renommierte Fachzeitschrift „Biotechnology & Bioengineering“ hat die Arbeit der Saarbrücker Forscher als besonders innovativ und relevant eingestuft. Die Studie wurde veröffentlicht: „Systems metabolic engineering of Escherichia coli for gram scale production of the antitumor drug deoxyviolacein”. (DOI: 10.1002/bit.25297)

Externer Link: www.uni-saarland.de

THI-Forscher entwickeln Analyse-Tool zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von LEDs

Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 27.04.2015

Qualifizierung für den landesweiten Businessplan-Wettbewerb BayStartup

Ein Forscherteam der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI), der Technischen Universität München und der FH Aachen hat sich mit einer neuen technischen Entwicklung für den landesweiten Businessplan-Wettbewerb BayStartup qualifiziert. Mit ihrem neuartigen Analyse-Tool, das die Lebensdauer von LEDs bestimmen kann, erreichten sie bereits auf der regionalen Ebene des BayStartup-Wettbewerbs den zweiten Platz (Bezirk Schwaben). Damit ist die Teilnahme auf Landesebene gesichert.

Das Analyse-Tool, das die Forscher entwickelt haben, greift an einer zentralen Kenngröße von LEDs an: dem thermischen Widerstand. Dieser besagt, wie viel Wärme über die Lötstelle zwischen einer LED und der Platine, auf der sie befestigt ist, abgeleitet wird. Dieses Temperaturverhältnis ist entscheidend für die Lebensdauer und damit für die Qualität von LEDs. Je besser eine Lötung vorgenommen wurde, desto länger die Lebensdauer. Aktuell kann der thermische Widerstand nur aufwendig im Labor untersucht werden, in der Industrie ist noch kein Gerät dafür vorhanden.

Die THI-Forscher unter dem Mentorat von Prof. Dr. Gordon Elger, THI-Professor für Elektrotechnik und Informatik, sind im Team für die technische Entwicklung und Umsetzung verantwortlich. Bereits im Sommer dieses Jahres werden sie einen Prototyp für das Messgerät vorstellen können. Ein Serieneinsatz im Qualitätsmanagement von Industrieunternehmen ist ab 2016 geplant.

Externer Link: www.thi.de

Wie Blutgefässe veröden: Zellen verschmelzen mit sich selbst

Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.04.2015

Zellen im Blutgefässsystem von Wirbeltieren können mit sich selbst verschmelzen. Diesen Prozess, der auftritt, wenn ein Blutgefäss nicht mehr benötigt und zurückgebildet wird, hat das Forschungsteam von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel erstmals auf zellulärer Ebene beschrieben. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachjournal «PLoS Biology» veröffentlicht.

Blutgefässe bilden das Versorgungsnetzwerk des menschlichen Organismus. Sie versorgen ihn mit Sauerstoff und Nährstoffen bis in den letzten Winkel jedes Körperteils. Forschungsarbeiten über das Blutgefässsystem konzentrierten sich bislang in erster Linie auf die Bildung eines solchen Netzwerkes. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat nun die Rückbildung nicht mehr benötigter Blutgefässe beim Zebrafisch genauer untersucht und entdeckt, dass die Zellen fähig sind, ihre Membranränder mit sich selbst verschmelzen zu lassen. Dass Gefässzellen von Wirbeltieren diese Eigenschaft haben, war bislang unbekannt.

«Self-Fusion» erstmals im Wirbeltier beobachtet

Die Bildung von Blutgefässen folgt einem komplizierten Architekturplan. «Der Plan für die Rückbildung ist auf den ersten Blick gleich, muss auf molekularer Ebene jedoch unterschiedlich sein», sagt Markus Affolter. Bei der Verödung eines Blutgefässes wandern die meisten Zellen in die benachbarten, funktionellen Gefässe. Die letzte Zelle, die im sich zurückbildenden Gefäss bleibt, fusioniert mit sich selbst und schliesst das Gefäss ab. Bei dem als «Self-Fusion» bezeichneten Prozess breitet sich eine Zelle um das gesamte  Gefäss aus. Die dabei aufeinandertreffenden  Membranränder dieser Zelle verschmelzen mit sich selbst und verschliessen so die Öffnung. So wird sichergestellt, dass bei der Verödung eines Gefässes kein Loch zurückbleibt, aus dem Blut austreten kann. Es ist das erste Mal, dass das Verschmelzen von Zellen mit sich selbst bei Wirbeltieren, zu denen auch der Mensch zählt, beobachtet werden konnte. «Bisher kannte man ein solches Verhalten von Zellen nur bei einfacheren Organismen wie dem Fadenwurm», erklärt Markus Affolter.

Hohe Plastizität durch «Self-Fusion»

Während der Ausbildung des Blutgefässnetzwerkes bilden sich immer wieder auch Gefässe, die nur vorrübergehend benötigt werden. Wie bei einem stillgelegten Flussarm eines weit verzweigten Gewässernetzes, durchfliesst diese Gefässe kein frisches Blut mehr und der Organismus beginnt mit dem Abbau dieses Seitenarms. Auf diese Weise reguliert sich das Blutgefässsystem von allein, optimiert seinen Blutfluss, indem überschüssige Gefässe, in denen sich der Blutdurchfluss und damit der Blutdruck verringern, zurückgebildet und deren Zellen recycelt werden. «Dieser neu gefundene Prozess ist für das zelluläre Verständnis vom Auf- und Abbau von Blutgefässen wichtig, da sich damit einmal mehr die unglaublich grosse Plastizität und Wandelbarkeit des Blutgefässsystems erklären lässt», so Anna Lenard, Erstautorin der Publikation. Die Studie wurde am Zebrafisch durchgeführt, da sich in dem fast durchsichtigen Fisch die Blutgefässentwicklung mittels moderner Mikroskopiertechniken am lebenden Tier beobachten lässt.

Bedeutung von «Self-Fusion» bei Krebs

«Wie die Zelle beim aufeinandertreffenden der Membranränder sich selbst erkennt, und dabei nur mit sich und nicht mit anderen, benachbarten Blutgefässzellen fusioniert, weiss man bislang jedoch noch nicht», so Markus Affolter. Schon lange liegt der Verdacht nahe, dass jede einzelne Zelle eines Organismus einen eigenen Code hat. «Dieser Prozess könnte diese Theorie teilweise bestätigen», meint Affolter. Mit seinem Team möchte er nun untersuchen, was beim «Self-Fusion»-Prozess in der Zelle genau passiert. Da Tumore für ihr Wachstum ein gut ausgebildetes Blutgefässsytem benötigen, könnte ein besseres Verständnis über die Bildung und Rückbildung des Netzwerkes Möglichkeiten eröffnen, wie sich ein solches System manipulieren liesse.

Originalartikel:
Anna Lenard, Stephan Daetwyler, Charles Betz, Elin Ellertsdottir, Heinz-Georg Belting, Jan Huisken, Markus Affolter:
Endothelial Cell Self-fusion during Vascular Pruning.
PLoS Biology, published online 17 April 2015 | DOI: 10.1371/journal.pbio.1002126

Externer Link: www.unibas.ch

Pseudoteilchen wandern durch photoaktives Material

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 22.04.2015

KIT-Wissenschaftler messen wichtigen Prozess bei der Umwandlung von Lichtenergie – Publikation in Nature Communications

Einen wichtigen Schritt der Umwandlung von Licht in speicherbare Energie haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) aufgeklärt: Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fritz-Haber-Instituts Berlin und der Aalto University in Helsinki/Finnland untersuchten sie die Bildung von sogenannten Polaronen in Zinkoxid. Die Pseudoteilchen wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden. Ihre unter anderem für die Photovoltaik wichtigen Erkenntnisse veröffentlichen die Forscher in der renommierten Zeitschrift Nature Communications.

Prozesse, die Licht in speicherbare Energie umwandeln, können wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung beitragen. Die Natur nutzt solche Prozesse schon seit Milliarden von Jahren bei der Photosynthese, um mithilfe von Licht Kohlenhydrate aufzubauen. In der Forschung gewinnt die Photokatalyse, die Licht nutzt, um chemische Prozesse zu beschleunigen, immer mehr an Bedeutung. Auch bei der Photovoltaik, die einfallendes Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt, haben Forscher in den vergangenen Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Der Wirkungsgrad hat sich stetig verbessert.

Allerdings sind die der Photovoltaik zugrunde liegenden Prozesse bis jetzt nur in groben Zügen erforscht. „Die Umwandlung der Photonen, das heißt Lichtteilchen, in elektrische Energie geschieht über mehrere Schritte“, erklärt Professor Christof Wöll, Leiter des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT. Zunächst wird in einem photoaktiven Material Licht absorbiert. Einzelne Elektronen werden von ihrem Platz gelöst und lassen an diesem ein Loch zurück. Die Elektronen-Loch-Paare sind nur für kurze Zeit stabil. Danach zerfallen sie entweder unter Lichtabstrahlung oder werden in ein Elektron und ein Loch aufgespalten, die sich dann unabhängig voneinander im Material bewegen. Was mit diesen geladenen Teilchen weiter geschieht, hängt vom Material ab.

In den meisten Materialien sind freie Löcher nicht stabil, sondern werden unter Energieverlust in sogenannte Polaronen umgewandelt. Ein Polaron ist ein spezielles Pseudoteilchen, das sich aus einem Teilchen und dessen Wechselwirkung mit seiner Umgebung zusammensetzt. Die gebildeten Polaronen sind für längere Zeit stabil und wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden.

Forscher des KIT um Professor Christof Wöll haben nun Experimente an dem photoaktiven Material Zinkoxid durchgeführt, um Bildung und Bewegung der Polaronen zu untersuchen. Dabei setzten sie eine am KIT entwickelte, weltweit einzigartige Apparatur zur Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS) mit einer zeitlichen Auflösung von 100 Millisekunden ein. Sie maßen Infrarotspektren an Zinkoxid-Einkristallen und beobachteten intensive Absorptionsbanden, sozusagen Fingerabdrücke, eines bislang unbekannten Pseudoteilchens. Die Interpretation der Daten und die Identifikation dieses neuen Teilchens stellte die Karlsruher Forscher zunächst vor große Herausforderungen. Erst in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe, die am Fritz-Haber-Institut und im Exzellenzzentrum für Rechnergestützte Nanophysik (COMP) der Aalto University tätig ist, gelang es, die Absorptionsbanden eindeutig sogenannten Loch-Polaronen zuzuordnen. „Ein wichtiges Ergebnis, das im Jahr 2015 als internationales Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien besonders erfreulich ist“, sagt Professor Wöll. (or)

Publikation:
Hikmet Sezen, Honghui Shang, Fabian Bebensee, Chengwu Yang, Maria Buchholz, Alexei Nefedov, Stefan Heissler, Christian Carbogno, Matthias Scheffler, Patrick Rinke, and Christof Wöll: Evidence for photogenerated intermediate hole polarons in ZnO. Nature Communications, 22nd April 2015. DOI 10.1038/ncomms7901

Externer Link: www.kit.edu

Forscher verschieben Moleküle auf Oberflächen

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 17.04.2015

Nur halb so viel Kraft nötig wie theoretisch gedacht

Forscher der Universität Regensburg haben ein interessantes Phänomen aus der Welt der Quantenphysik entdeckt: Um ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Oberfläche seitlich zu verschieben, ist nur halb so viel Kraft erforderlich, wie theoretisch zu erwarten wäre. Ein Team um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik machte diese Beobachtung bei Versuchen mit einem Rasterkraftmikroskop, welches in einem Vakuum bei minus 266 Grad Celsius arbeitet – nahe am absoluten Temperaturnullpunkt. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind vor wenigen Tagen in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen (DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.146101).

Beim Anblick der Pyramiden von Gizeh stellt sich eine gewichtige Frage: Wie brachten die Bauarbeiter des Altertums die gigantischen Kräfte auf, um die tonnenschweren Steinblöcke zu bewegen? Dem gegenüber sind die Kräfte, die in der Quantenwelt wirken, ungleich kleiner. Allerdings ist es genauso schwierig, hinter ihr Geheimnis zu kommen. Vor einem Vierteljahrhundert gelang Donald Eigler und Erhard Schweizer vom IBM Forschungslabor San Jose in Kalifornien zwar ein „Bauprojekt“ auf kleinstmöglicher Skala: Die beiden Wissenschaftler schrieben I-B-M mit Buchstaben aus einzelnen Atomen des Edelgases Xenon. Aber erst 2008 konnten sie gemeinsam mit Gießibl die winzigen Kräfte messen, die beim Verschieben der einzelnen Atome wirken. Ein Durchbruch, der auch zu neuen theoretischen Überlegungen zu den Kräfteverhältnissen in der Quantenwelt führte.

Dass weiterhin ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Praxis besteht, konnte jetzt Matthias Emmrich mit Kollegen zeigen. Das Team an der Universität Regensburg untersuchte die Kräfte, die wirken, wenn man einzelne Kohlenmonoxidmoleküle auf einer Kupferoberfläche verschiebt. Die Forscher stellten dabei fest, dass nur halb so viel Kraft nötig ist, wie die theoretischen Berechnungen vorab erwarten ließen. Zum Vergleich: Das wäre in etwa so, als würde ein Ziegelstein die Hälfte seines Gewichts verlieren, wenn sich ein Bauarbeiter nähert.

Ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Kupferoberfläche kann man sich vorstellen wie ein Ei in einem Eierkarton. Um es hier von einer Vertiefung in eine benachbarte zu verschieben, ist eine bestimmte Kraft erforderlich. In der Welt der Atome und Quanten scheinen die Vertiefungen des Eierkartons allerdings „flacher“ zu werden, sobald sich die Abtastspitze des Mikroskops nähert. Zudem spielt das Kraftprofil der Spitze eine wesentliche Rolle für ihre Eignung für atomare Bauprojekte. Das Team konnte nachweisen, dass die Moleküle nur mit relativ symmetrischen Spitzen in alle Richtungen verschoben werden kann. Bei anderen Mikroskop-Spitzen ergeben sich nur einzelne Vorzugsrichtungen. (Alexander Schlaak)

Titel der Original-Veröffentlichung:
Matthias Emmrich, Maximilian Schneiderbauer, Ferdinand Huber, Alfred J. Weymouth, Norio Okabayashi, and Franz J. Giessibl: Force Field Analysis Suggests a Lowering of Diffusion Barriers in Atomic Manipulation Due to Presence of STM Tip, in Physical Review Letters 114, 146101 (2015).

Externer Link: www.uni-regensburg.de