Archiv der Kategorie: Hochschule

Entwicklungshilfe für das Sehen

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Presseinformation der LMU München vom 02.04.2015

LMU-Wissenschaftler haben einen neuen epigenetischen Mechanismus entdeckt, mit dem die komplexe Entwicklung und Verschaltung von Nervenzellen der Netzhaut gesteuert wird.

Sehen ist ein komplexer Prozess, an dem ein Netzwerk verschiedener Nervenzellen in der Netzhaut beteiligt ist. Dieses Netzwerk entwickelt sich bei Säugetieren im Wesentlichen innerhalb einer Woche nach Öffnung der Augen, indem unreife neuronale Vorläuferzellen in reife Nervenzellen differenzieren und sich miteinander vernetzen. Die tiefgreifenden morphologischen und funktionalen Änderungen dieses Reifeprozesses erfordern eine sehr präzise Steuerung, wann welches Gen aktiv wird. LMU-Wissenschaftler um PD Dr. Stylianos Michalakis und Professor Thomas Carell deckten nun in einer Kooperation im Rahmen des Exzellenzclusters CIPSM (Center for Integrated Protein Science Munich) einen bisher unbekannten Mechanismus auf, mit dem die Entwicklung der Netzhaut gesteuert wird.

Jede Zelle enthält die kompletten Erbanlagen eines Organismus – welche Gene konkret zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert und abgelesen werden, legen erst chemische Modifikationen der DNA fest. Diese epigenetischen Prozesse spielen auch bei der Reifung des neuronalen Netzwerks in der Netzhaut eine wesentliche Rolle. Ein wichtiger Mechanismus der epigenetischen Genregulation ist die chemische Veränderung der DNA, indem Methylgruppen an bestimmte DNA-Bausteine angehängt werden. Diese Methylierung markiert die entsprechenden Gene gleichsam für die Zellmaschinerie: Sie sind in der Regel deaktiviert und werden nicht abgelesen. Erst seit 2009 ist bekannt, dass spezielle, sogenannte Tet-Enzyme die methylierte Form des DNA-Bausteins Cytosin sogar gezielt noch für weitere Funktionen umbauen kann. Bisher hatte man gedacht, dieser nur noch leicht veränderte DNA-Baustein mit dem Kürzel 5hmC sei ein reines Intermediat bei der aktiven DNA-Demethylierung. „Seit man weiß, dass 5hmC gezielt produziert werden kann, wird vermutet, dass 5hmC für das An- und Abschalten von Genen eine wichtige Rolle spielt“, sagt Michalakis. „In den reifen Nervenzellen der Netzhaut jedenfalls findet man sehr hohe 5hmC-Level. Wir gehen deshalb davon aus, dass die Produktion von 5hmC durch Tet-Enzyme bei der Entwicklung des neuronalen Netzwerks eine wichtige Rolle spielt. Wie dies geschieht, war bisher aber völlig unklar“.

Die LMU-Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass Tet3 mit einem spezifischen Molekül interagiert, dem Transkriptionsfaktor REST, und so stillgelegte Gene tatsächlich wieder aktiviert – eben indem es aus methylierten Bausteinen 5hmC macht. Tet3 sorgt aber auch noch auf andere Weise dafür, dass die Zellmaschinerie an bestimmten Genen aktiv werden kann. In Zusammenarbeit mit einem weiteren Enzym verteilt es auch neue Methyl-Markierungen: Dadurch werden ursprünglich dicht gepackte inaktive DNA-Bereiche gelockert, bestimmte Gene sind damit besser zugänglich und können abgelesen werden.

Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler aufklären, wie und unter welchen Umständen der neue Mechanismus aktiviert wird. „Außerdem interessiert uns, ob es Erkrankungen gibt, bei denen dieser Mechanismus dereguliert ist. Falls dem so ist, könnten sich aus unseren Erkenntnissen möglicherweise auch therapeutische Anwendungen ergeben“, sagt Michalakis. (göd)

Publikation:
Cell Reports 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Die Glasfaser, in der das Licht stehenbleibt

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Presseaussendung der TU Wien vom 09.04.2015

Ein wichtiger Schritt für die Quanten-Datenübertragung gelang an der TU Wien: Photonen in einer Glasfaser können durch Atome auf die Geschwindigkeit eines Schnellzugs abgebremst und für kurze Zeit sogar gestoppt werden.

Licht ist ein sehr nützliches Instrument für die Quantenkommunikation, doch es hat einen entscheidenden Nachteil: Es bewegt sich normalerweise mit Lichtgeschwindigkeit und kann nicht festgehalten werden. Ein Forschungsteam der TU Wien hat nun gezeigt, dass sich dieses Problem beheben lässt – und zwar nicht bloß in exotischen Quantensystemen, sondern in den bereits existierenden Glasfasernetzwerken.

Durch die geschickte Kopplung von Atomen an die Glasfaser konnte das Licht auf 180 km/h verlangsamt werden. Es gelang sogar, das Licht für kurze Zeit komplett anzuhalten und dann wieder abzurufen. Diese Technik ist eine wichtige Voraussetzung für ein zukünftiges Glasfaser-basiertes Quanten-Internet, in dem man Quanten-Information über große Distanzen teleportieren kann.

Lichtpulse, langsamer als ein Schnellzug

Im freien Raum ist die Lichtgeschwindigkeit immer gleich groß – ungefähr 300 Millionen Meter pro Sekunde. Schickt man Licht durch ein Medium wie Glas oder Wasser, wird es durch seine Wechselwirkung mit dem Medium allerdings ein bisschen abgebremst. „Bei unserem System ist dieser Effekt extrem, weil wir gezielt eine äußerst starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erzeugen“, sagt Prof. Arno Rauschenbeutel (Atominstitut der TU Wien / Vienna Center for Quantum Science and Technology). „Die Geschwindigkeit des Lichts in unserer atombesetzten Glasfaser beträgt bloß 180 km/h – der Railjet der Österreichischen Bundesbahn ist schneller.“

Quantenkommunikation im bestehenden Glasfaser-Netz

„Es gibt heute verschiedene Ansätze, Information quantenphysikalisch zu übertragen“, sagt Dr. Clément Sayrin (ebenfalls TU Wien). „Glasfasern sind eine technologisch besonders interessante Variante – schließlich gibt es bereits ein weltweites Glasfasernetz, über das wir täglich Daten austauschen.“ An der TU Wien wurden Cäsium-Atome an eine ultradünne Glasfaser gekoppelt. Wenn das Atom das Licht eines Lasers absorbiert, kann es von einem Zustand niedriger Energie in einen Zustand höherer Energie übergehen – vorausgesetzt, die Energie des absorbierten Photons entspricht der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen. Das Problem ist dabei allerdings, dass auf diese Weise „gespeichertes“ Licht nicht kontrolliert wieder abgerufen werden kann.

Im Experiment wurde deswegen zusätzlich noch ein Kontroll-Laser verwendet, der den Zustand höherer Energie an einen dritten Atomzustand koppelt. „Durch das Zusammenspiel dieser drei Zustände kann man erreichen, dass ein Photon nicht mehr wie sonst einfach absorbiert und dann später zufällig wieder ausgesandt wird. Stattdessen wird die Information des Photons kontrolliert auf ein Ensemble von Atomen übertragen und für definierte Zeit festgehalten.“ Aus dem Lichtteilchen wird so eine kollektive Anregung von Atomen.

Nach zwei Mikrosekunden, einer Zeitspanne in der das Licht sonst bereits ungefähr einen halben Kilometer zurückgelegt hätte, wurden im Experiment die Atome mit Hilfe des Kontroll-Lasers dazu gebracht, das gespeicherte Licht wieder zurück in die Glasfaser zu senden. Die Eigenschaften der Photonen bleiben bei diesem Verfahren erhalten – eine wichtige Voraussetzung für die Quantenkommunikation.

Information von Lichtteilchen zu speichern ist ein wichtiger technologischer Schritt auf dem Weg zur Quanten-Kommunikation über große Distanzen. „Quantenphysikalisch kann man eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger herstellen, die von außen nicht abgehört werden kann“, erklärt Arno Rauschenbeutel. „Die grundlegenden Gesetze der Quantenphysik verhindern, dass irgendjemand in diese Verbindung eingreift, ohne dass die beiden beteiligten Personen das bemerken.“ (Florian Aigner)

Publikation:
C. Sayrin, C. Clausen, B. Albrecht, P. Schneeweiss, A. Rauschenbeutel, Storage of fiber-guided light in a nanofiber-trapped ensemble of cold atoms, Optica.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Mit Blaulicht gegen Männersorgen

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 20.03.2015

Männerproblem ernst genommen: ETH-Wissenschaftler entwickeln eine Biotech-Lösung gegen Erektionsstörungen. Diese besteht aus einem Genkonstrukt und blauem Licht.

Unter Männern sind Erektionsstörungen ein Tabuthema. Keiner spricht gerne darüber. Fakt ist: Mit zunehmenden Alter leiden immer mehr Männer unter der sogenannten erektilen Dysfunktion. Ab dem 30. Lebensjahr nimmt die Zahl derer, die keine oder unvollständige Erektionen haben, stetig zu. Bei den über 60-jährigen sind bereits über die Hälfte aller Männer von Erektionsstörungen betroffen.

Als Hauptursachen für erektile Dysfunktion gelten Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Hormonstörungen, Nervenerkrankungen und Nebenwirkungen von Medikamenten. Aber auch eine Querschnittlähmung führt dazu, dass Patienten keine Erektionen mehr haben.

Manch einer greift daher zur «blauen Pille», um die erektile Dysfunktion zu beheben. Doch Viagra hilft nur, die Erektion zu verlängern, nicht aber, diese auszulösen. Damit «er» steht, haben Forscher um Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwissenschaften am Departement Biosysteme (D-BSSE) in Basel, nun eine neuartige biotechnische Lösung entwickelt: eine Gentherapie, die zuverlässig Erektionen auslöst.

Erektion ohne sexuelle Stimulation

Dabei wird ein Genkonstrukt in den Schwellkörper des Penis gespritzt. Dieses Konstrukt reagiert auf blaues Licht. Sobald es diesem ausgesetzt wird, wird ein Vorläufermolekül (Guanosintriphosphat (GTP)) in den Botenstoff zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) umgewandelt. Dieser kommt auch natürlicherweise in zahlreichen Organen des Menschen vor. Er sorgt dafür, dass sich spannungsabhängige Kalziumkanäle schliessen. Dadurch sinkt in den Zellen der Kalziumpegel, die Muskelzellen erschlaffen und der Blutfluss in den Schwellkörper nimmt zu. Der Penis wird steif. Danach baut ein Enzym cGMP langsam ab, sodass die Erektion mit der Zeit abklingt.

Dank dem Genkonstrukt wird die Produktion von cGMP nicht durch sexuelle Erregung stimuliert, sondern direkt durch die Bestrahlung des Schwellkörpers mit blauem Licht. «Dadurch umgehen wir die gewohnte sexuelle Stimulation, die eine ganze Kaskade von Signalen im Körper auslöst, und schliesslich zur Erektion führt», sagt Fussenegger. Bei erektiler Dysfunktion kommt es bei normaler sexueller Stimulierung nicht zu einer Erektion.

Tiertests erfolgreich

Getestet haben die Forscher ihre neue Entwicklung an Rattenmännchen, denen das Genkonstrukt in den Schwellkörper injiziert wurde. Mit gutem Erfolg. Das blaue Licht wirkte in den meisten Fällen wie ein Schalter, mit dem sich die Erektion der Ratten «anknipsen» liess. Bei einigen Tieren führte die Stimulation bis zur Ejakulation.

«Das System der Erektion ist bei allen Säugetieren sehr ähnlich», sagt Martin Fussenegger. Er ist deshalb davon überzeugt, dass das Genkonstrukt auch bei Menschen funktionieren wird. Offenbar sei dieses System sehr früh in der Stammesgeschichte entstanden und habe sich erhalten. «Auch Viagra funktioniert bei Ratten. Es verlängert wie beim Menschen die Intensität der Erektion»

Grosses Bedürfnis der Betroffenen

Nebenwirkungen dürfte diese Art von Gentherapie kaum haben, schätzt der ETH-Professor. «Das Injizieren des Genkonstrukts sollte kein Hemmnis für potenzielle Anwender sein, da bereits heute Injektionen in den Schwellkörper zur Standardtherapie bei erektiler Dysfunktion gehören», so Fussenegger. Der Schwellkörper sei ziemlich schmerzunempfindlich; zudem sei er vom normalen Blutkreislauf weitgehend abgekoppelt. Die Gefahr, dass das Genkonstrukt an andere Stellen im Körper gelangt, ist daher sehr gering. Überdies wird cGMP relativ rasch wieder abgebaut. Mit Viagra liesse sich zudem die Erektion verlängern, sodass eine allfällige Gentherapie mit diesem Medikament ergänzt werden könnte.

Eine Erektion künstlich auszulösen entspricht laut Fussenegger einem grossen Bedürfnis der Patienten, die an erektiler Dysfunktion leiden. «Dies haben mir verschiedene Ärzte bestätigt», sagt der ETH-Professor. Auch dürften nicht alle Betroffenen Viagra schlucken, um sexuell aktiv zu werden, zum Beispiel bei bekannter Herzschwäche.

An diesem Genkonstrukt haben die Basler ETH-Forscher vier Jahre lang gearbeitet. Vorderhand liegt es als Prototyp vor. Versuche an Menschen wurden bisher nicht unternommen. Fussenegger rechnet jedoch damit, dass sich das Prinzip dieses Genkonstrukts auch beim Menschen durchsetzen wird, da das System sehr einfach und kostengünstig in der Anwendung ist. «Bevor es zur Anwendung kommt, braucht es auf jeden Fall klinische Tests, die sehr aufwändig sind. Wir suchen aktiv nach Industriepartnern für die klinische Umsetzung unserer Technologie.»

Publikation:
Kim T, Folcher M, Douad-El Baba M, Fussenegger M. A synthetic erectile optogenetic stimulator (EROS) enabling blue-light-inducible penile erection. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. Published online 19th March 2015. DOI: 10.1002/anie.201412204

Externer Link: www.ethz.ch

Forscher steigern Energiedichte von Lithiumspeichermaterialien

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.03.2015

Optimiertes Speicherprinzip und neues Material sorgen für höhere Speicherdichte von Lithium in Batterien

Ein interdisziplinäres Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des vom KIT gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) forciert die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien: Die Wissenschaftler haben ein neues Kathodenmaterial, basierend auf einem neuen Speicherprinzip entwickelt, das deutlich höhere Energiespeicherdichten als bisher bekannte Systeme bietet. In der Zeitschrift „Advanced Energy Materials“ stellt die Forschungsgruppe das neue Materialsystem vor.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie – kein anderer wiederaufladbarer Energiespeicher kann mit ihr mithalten. Für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras ist sie unersetzlich. Ziel der derzeitigen Forschung ist insbesondere, höhere Speicherdichten für Lithium zu erreichen, um damit mehr Energie in einer Batterie speichern zu können. Darüber hinaus sollte die Lithiumspeicherung schnell vonstatten gehen, um auch Geräte mit hohen Leistungsanforderungen versorgen zu können. Dafür ist es erforderlich, ein detailliertes Verständnis der elektrochemischen Vorgänge zu erarbeiten und Komponenten der Batterie neu zu entwickeln.

Die bisher verwendeten Materialien basieren auf einer Einlagerung von Lithium in kleine Hohlräume (so genannte Zwischengitterplätze) – einer Wirtsstruktur, welche in der Regel aus Metalloxiden besteht. Diese Methode funktioniert gut, allerdings sind die damit erzielbaren Speicherdichten begrenzt, da das Lithium nicht besonders dicht in der Struktur gepackt werden kann. Auch ist die Einlagerung von mehr als einem Lithium-Ion pro Formeleinheit in der Regel nicht möglich, da die Struktur dann nicht mehr stabil ist und zerfällt. Wünschenswert wäre es deshalb, Lithium deutlich dichter in eine stabile Struktur zu packen und die bisherigen Obergrenzen zu überwinden.

Eine Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner und Dr. Ruiyong Chen hat nun am KIT ein neues Speicherprinzip und ein darauf basierendes Material vorgestellt, welches die reversible Einlagerung von bis zu 1,8 Li pro Formeleinheit erlaubt. Mit einem Material der Zusammensetzung Li2VO2F wurden Speicherkapazitäten von bis zu 420 mAh/g, bei 2,5 V mittlerer Spannung gemessen. Durch die vergleichsweise hohe Dichte des Materials ergibt das eine Speicherkapazität von bis zu 4600 Wh/L, bezogen auf das Aktivmaterial.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien wird in dem neuen System das Lithium nicht mehr auf Zwischengitterplätzen, sondern direkt auf den Gitterplätzen einer kubisch dichtesten Packungsstruktur gespeichert, wodurch die deutlich höheren Packungsdichten erreicht werden.

Überraschenderweise sind die Lithium-Ionen sehr mobil in dieser Struktur und sie können leicht in das Gitter ein- und wieder ausgebaut werden. Dabei nimmt das Vanadium zwei Ladungen auf oder gibt sie wieder ab, während das Gitter insgesamt überraschenderweise stabil bleibt – ein Novum bei solchen Speichermaterialien. Die Struktur besitzt eine hohe Defektmobilität, sodass sich das Gitter selbst stabilisieren kann.

„Die hohe Stabilität der Struktur bei gleichzeitig hoher Defektmobilität, verbunden mit einer sehr kleinen Volumenänderung von nur 3% ist das eigentlich Ungewöhnliche an diesem neuen System. Das Speicherprinzip scheint zudem auf andere Zusammensetzungen übertragbar zu sein. Mit anderen Verbindungen ähnlicher Struktur messen wir derzeit sogar noch höhere Energiedichten als mit dem auf Vanadium basierenden System“, berichtet Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner. (mf, dm)

Publikation:
R. Chen, S. Ren, M. Knapp, D. Wang, R. Witter, M. Fichtner, and H. Hahn: Disordered Lithium-Rich Oxyfluoride as a Stable Host for Enhanced Li+ Intercalation Storage. Advanced Energy Materials. Article first published online: 3 FEB 2015. DOI: 10.1002/aenm.201401814

Externer Link: www.kit.edu

Metallcluster mit subatomarer Auflösung abgebildet

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 19.03.2015

Neues Verfahren mit Rasterkraftmikroskop

Metallcluster, die nur aus wenigen Eisenatomen aufgebaut sind, konnten jetzt erstmals mit subatomarer Auflösung abgebildet werden. Forscher der Universität Regensburg und der Ludwig-Maximilians-Universität München nutzten dazu ein Rasterkraftmikroskop. Die Abbildungen der Cluster zeigen sowohl deren interne Struktur als auch die atomare Anordnung auf einer dicht gepackten Kupferoberfläche. Cluster aus Eisenatomen sind für die Entwicklung von Kleinstmagneten oder für die Abgasreinigung in Katalysatoren von großer Bedeutung. Die neuen Forschungsergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ (DOI 10.1126/science.aaa5329) erschienen.

Die Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie hat in den letzten Jahren zu enormen Fortschritten im Bereich der Nanowissenschaften geführt. Sie ermöglicht eine detaillierte Abtastung von Oberflächen. Dies geschieht allerdings nicht optisch wie bei einem Lichtmikroskop, sondern durch mechanisches Abtasten – ähnlich dem Lesen von Blindenschrift. So kann ein Rasterkraftmikroskop einzelne Atome auf einer Oberfläche sichtbar machen. Bis jetzt konnten Atome allerdings nur als einzelne Hügel ohne weitere Struktur abgebildet werden. Dasselbe galt bislang für Cluster: Hier lieferte lediglich die Höhe der Hügel Rückschlüsse über die Zahl der beinhalteten Atome.

Die Forscher um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg haben nun einzelne Eisenatome und Cluster aus wenigen Eisenatomen untersucht. Die begleitende theoretische Basis für ihre Versuche haben Forscher um PD Dr. Diemo Ködderitzsch und Prof. Dr. Hubert Ebert vom Department Chemie der LMU München gelegt. So haben sie mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie auf quantenphysikalischen Grundlagen unter anderem berechnet, wie sich die Eisenatome im Cluster auf der Kupferoberfläche vorzugsweise ausrichten.

Kalkulation und Experiment bestätigten sich gegenseitig. Die neuen Aufnahmen zeigen Eisenatome als klar abgrenzbarer Ring mit drei Erhebungen. Mit dem Verfahren ist es somit möglich, die Form der Elektronenhülle jedes Atoms zu „sehen“ und auch abzuzählen, wie viele Atome in einem Cluster vorhanden sind. Zudem geben die neuen Bilder Einblicke in die Bindungssymmetrie der Eisenatome.

Gießibl gilt als Pionier der Rasterkraftmikroskopie. Er ist der Erfinder des sogenannten qPlus Sensors, einem auf einem Quarzfederbalken basierenden hochempfindlichen Sensor für die Kraftmikroskopie. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern seines Lehrstuhls arbeiten schon länger mit Forschern der LMU München im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 689 „Spinphänomene in reduzierten Dimensionen“ zusammen.

Titel des Originalartikels:
Sub-Atomic Resolution Force Microscopy Reveals Internal Structure and Adsorption Sites of Small Iron Clusters, in “Science” (2015)

Externer Link: www.uni-regensburg.de