Archiv der Kategorie: Hochschule

Süße Scharfmacher

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Presseinformation der LMU München vom 17.02.2015

LMU-Wissenschaftler haben einen neuen Mechanismus entdeckt, durch den pathogene Bakterien ihre Wirkung entfalten: Das Anheften einer zusätzlichen Zuckergruppe an den Translationsfaktor EF-P aktiviert die Produktion krankmachender Proteine.

Der Translationsfaktor EF-P spielt bei der Regulation der Proteinproduktion eine wichtige Rolle: Wird die Proteinsynthese in den Ribosomen durch bestimmte Signale gestoppt, kann erst EF-P die zelluläre Proteinfabrik wieder anwerfen. Studien an einer Reihe pathogener Bakterien haben gezeigt, dass dieser Vorgang etwa für die Produktion krankmachender Proteine wichtig ist – fehlt den Bakterien EF-P, sind sie deutlich weniger virulent. Allerdings kann EF-P die Proteinsynthese nur frei schalten, wenn es zuvor chemisch modifiziert wurde. „Wir haben nun einen völlig neuen Mechanismus für diese EF-P-Modifikation gefunden“, sagt die LMU-Mikrobiologin Kirsten Jung.

Zuckerzusatz aktiviert

Jungs Team konnte zeigen, dass EF-P aktiviert wird, wenn an einen bestimmten EF-P-Baustein – die Aminosäure Arginin – ein zusätzliches Zuckermolekül, eine sogenannte Rhamnose, angedockt wird. Dieser Vorgang wird als Arginin-Rhamnosylierung bezeichnet. „So weit wir wissen sind wir die Ersten, die eine derartige Modifikation bei Bakterien nachweisen konnten“, sagt Jürgen Lassak, der Erstautor der Studie. EF-P kommt nicht nur in Bakterien vor, sondern auch Archaeen und Zellen höherer Organismen besitzen ein EF-P-Pendant. In einer früheren Arbeit deckte Jung gemeinsam mit Daniel Wilson (Genzentrum), mit dem die Mikrobiologin im Rahmen des Exzellenzclusters CIPSM zusammenarbeitet und der auch an der neuen Studie beteiligt ist, die Funktionsweise von EF-P im Darmbakterium Escherichia coli auf. „Allerdings wird E. coli EF-P auf eine andere Weise modifiziert, und die dafür notwendigen Enzyme besitzen nur 25 Prozent aller Bakterien. Mit unserer neuen Studie konnten wir die Bandbreite an Bakterien, für die die Art und Weise der EF-P-Modifikation bekannt ist, deutlich erweitern“, erklärt Jung.

Angriffspunkt für Antibiotika

Der Fund bietet möglicherweise einen Angriffspunkt für neuartige Antibiotika, die gerade vor dem Hintergrund der steigenden Zahl multiresistenter Keime dringend benötigt werden. „Die Arginin-Rhamnosylierung kommt auch bei klinisch relevanten Bakterien wie etwa Pseudomonas aeruginosa und Neisseria vor, häufig mehrfach resistenten Krankenhauskeimen“, sagt Lassak. „Wenn wir einen Weg finden, diesen Mechanismus gezielt zu hemmen, könnte dies die Entwicklung neuer Wirkstoffe deutlich voranbringen“. Dieses Ziel wollen die Wissenschaftler weiter verfolgen und zusätzlich untersuchen, ob auch andere Proteine als EF-P mithilfe der Arginin-Rhamnosylierung modifiziert werden. „Möglicherweise könnte man diesen Mechanismus auch im Rahmen der synthetischen Biologie nutzen, um die Eigenschaften und Funktionen von Proteinen zu modifizieren“, blickt Jung in die Zukunft. (göd)

Publikation:
Nature Chemical Biology 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Nanostrukturen, die sich auf Knopfdruck bilden

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Presseaussendung der TU Wien vom 17.02.2015

Bausteine, die sich ganz von selbst zu komplizierten Strukturen zusammenfügen wurden an der TU Wien entwickelt.

Wenn man winzige Nanostrukturen herstellen will, kann man entweder genau die richtigen Bausteine aneinanderfügen oder ein Material mit Präzisionswerkzeugen zuschneiden. Viel praktischer ist es allerdings, wenn man Moleküle hat, die sich ganz von selbst zu einer wohlgeordneten Struktur zusammenbauen. Einem Forschungsteam von der TU Wien, der KU Leuven (Belgien) und dem MPI Mainz (Deutschland) gelang es nun, Moleküle je nach angelegter elektrischer Spannung zwischen zwei- und dreidimensionale Anordnungen hin und her wechseln zu lassen.

Umschalten zwischen verschiedenen Nanostrukturen

Man würde erwarten, dass sich Moleküle auf einer Oberfläche einfach ganz zufällig anordnen, wie Spielzeugkugeln, die man über den Boden rollen lässt. Oft ist das auch so – doch manche Moleküle können mehr. „Wenn zwischen ihnen die richtigen Kräfte wirken, verbinden sie sich automatisch zu einer komplexen Struktur“, erklärt Stijn Mertens. Er ist am Institut für angewandte Physik der TU Wien, für das Labor für elektrochemische Oberflächenphysik zuständig. Diesen Effekt zu kontrollieren ist meist sehr schwierig. Nun konnte eine Methode gefunden werden, das positiv geladene Molekül PQP+ sogar zwischen verschiedenen Ordnungszuständen wechseln zu lassen.

Die Moleküle werden auf einer ebenen Goldfläche aufgebracht und dann mit einer Elektrolytlösung bedeckt. Zwischen dem Golduntergrund und der Elektrolytlösung wird dann eine elektrische Spannung angelegt und die Moleküle bilden eine poröse Struktur. Je stärker der Golduntergrund negativ aufgeladen wird, umso mehr PQP+ Moleküle können sich pro Fläche anlagern. Daher können sich je nach elektrischer Spannung unterschiedliche geordnete Muster ergeben. „Je höher die Ladung im Gold, umso dichter wird die Überdeckung mit den PQP+ Molekülen“, erklärt Stijn Mertens. „Bei all diesen Beispielen von Selbstorganisation legt die chemische Struktur der Bausteine bereits fest, welche Anordnungen in der Ebene möglich sind.“

Sechseckige Blumenmuster

Zunächst bilden die Moleküle sechseckige, blütenartige Strukturen aus. Erhöht man die Spannung, drehen sich die Moleküle und rücken auseinander. In der Mitte jeder Sechsergruppe wird dann ein Platz für ein zusätzliches Molekül frei und eine neue, dichtere Struktur entsteht. Erhöht man die Spannung weiter, rücken die Moleküle schließlich übereinander und formen eine dreidimensionale Struktur. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen kann man die winzigen Strukturen mit Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern abbilden.

„Dieses Maß an Kontrolle und Reproduzierbarkeit ist bei selbstorganisierenden Molekülen ungewöhnlich“, sagt Mertens. Insbesondere der Wechsel zwischen zwei- und dreidimensionalen Strukturen konnte vorher noch nie beobachtet werden wenn nur eine einzige Sorte chemischer Bausteine verwendet wird. „Nützlich könnte das für künstliche Rezeptoren, hochspezifische Detektoren oder neue, intelligente Materialien sein“, hofft Mertens. Auch Flüssigkristall-Displays funktionieren auf ähnliche Weise: Auch dort wird die Ausrichtung von Molekülen mit Hilfe elektrischer Felder kontrolliert. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

GPS im Gebäude: Forscher der TU Graz bauen Prototyp für Innenraum-Positionsbestimmung per Mobiltelefon

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Pressemitteilung der TU Graz vom 12.02.2015

Exakte Lokalisierung in Innenräumen hat Potential für Rettungskräfte, Industrie und autonome Systeme

Satellitenbasierte Lokalisierungssysteme wie das US-amerikanische GPS oder das europäische Pendant Galileo gehören heute dank „smarter“ Mobiltelefone zu unserem Alltag – zumindest unter freiem Himmel. Im Gebäudeinneren ist die Positionsbestimmung mangels Satellitensignalen nicht möglich, wäre aber insbesondere für Rettungskräfte oder die Industrie sehr vorteilhaft. Forscher der TU Graz entwickeln alternative Technologien und setzen dabei auf reflektierte Funksignale. Mit der kürzlich zuerkannten Förderung PRIZE des BMWFW baut das Grazer Team nun einen Prototyp ihres „virtuellen“ Satellitensystems für das Mobiltelefon.

Wir sind heute daran gewöhnt, überall zuverlässig unseren genauen Aufenthaltsort per Mobiltelefon bestimmen zu können – satellitenbasierten Lokalisierungssystemen wie GPS sei Dank. Im Straßenverkehr, beim Stadtbummel oder bei Ausflügen in der Natur funktioniert das meist einwandfrei. Sobald man aber ein Gebäude betritt, sind die Satellitensignale nicht mehr vorhanden. „Besonders Rettungskräfte, die Industrie oder jegliche Einrichtungen mit erheblichen Besucherströmen würden enorm von der exakten Positionsbestimmung von Personen und Objekten in Innenräumen profitieren“, weiß Klaus Witrisal vom Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation der TU Graz. „Allerdings braucht es dann oft eine Genauigkeit im Zentimeterbereich“. Gemeinsam mit Paul Meissner, Erik Leitinger und weiteren Kollegen der TU Graz entwickelt er neue Konzepte für exakte, zuverlässige Innenraum-Lokalisierungssysteme.

Eine „virtuelle“ Satellitenkonstellation

„Vereinfach gesagt ist unser Lösungsansatz eine ‚virtuelle‘ Konstellation von Satelliten. Wenn wir die Geometrie des Gebäudes kennen, beispielsweise aus einem Gebäudeplan, können wir die von Wänden reflektierten Funksignale als Informationsquelle nehmen, mehrere Pfade nachvollziehen und die Position zentimetergenau bestimmen“, erklärt der Forscher. Ein wesentlicher Vorteil der erprobten Technologie: Sie lässt sich in mobile Endgeräte integrieren. Klaus Witrisal erläutert: „Die verwendeten Funksignale können Kleidung und Objekte durchdringen und über größere Distanzen übertragen werden. Zudem lassen sich Sender und Empfänger günstig bauen und mit geringem Stromverbrauch betreiben“. Die Grazer Technologie hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Sie lässt sich anders als bisherige Versuche zur Innenraum-Lokalisierung nicht durch blockierte Sichtverbindungen oder sich überlagernde Signalreflexionen stören, weil auch reflektierte Signale aktiv verwendet werden.

Unsicherheiten automatisch berücksichtigt

Die wesentliche Erfindung der Grazer, die sich momentan in der Patentierungsphase befindet, ist die automatische Schätzung der durch die reflektierten Funksignale bedingten Informations-Unsicherheiten. „Eine Leichtbauwand reflektiert ein Funksignal wesentlich schwächer als eine Wand aus Stahlbeton“, gibt Paul Meissner ein Beispiel. Parameter, die aus den Funksignalen extrahiert werden, erlauben die optimale Kombination der verschiedenen Signalpfade der Funkreflektionen. Das Konzept der Grazer Techniker braucht keine Kenntnis der Baumaterialien und keinen zentimetergenauen Bauplan. Es berücksichtigt solche Informationen und Unsicherheiten automatisch und direkt bei der Lokalisation.

Prototyp dank PRIZE-Förderung des BMWFW

Was relativ einleuchtend klingt, war bislang nur im Versuchsaufbau am Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation der TU Graz möglich. Im Februar 2015 wurde das Projekt mit der Prototypenförderung PRIZE des BMWFW bedacht – die Forscher tüfteln nun an der Integration der Technologie in mobile Endgeräte.

Das Wissenstransferzentrum Süd unterstützt anschließend bei der Verwertung des geförderten Prototypen. Die über die Austria Wirtschaftsservice (aws) abgewickelte Prototypenförderung PRIZE erfolgt im Rahmen des vom BMWFW lancierten Programms „Wissenstransferzentren und IPR-Berwertung“, mit dem die Kooperation zwischen Wissenschaft und Wirtschaft weiter gestärkt werden soll.

Externer Link: www.tugraz.at

Nano-Messbecher erlauben Einblick in die Kondensation von Atomen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 21.01.2015

Die Kondensation von einzelnen Atomen, also ihren Übergang vom gasförmigen in einen andern Zustand, abzubilden – dies ist einem internationalen Physikerteam mit einer neuen Methode gelungen. Unter Leitung des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel konnte es erstmals nachverfolgen, wie Xenon-Atome in winzigen Messbechern, sogenannten Quantentöpfen, kondensieren. Damit werden wichtige Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen zwischen Atomen möglich, berichten die Forscher in «Nature Communications».

Das Team um Prof. Thomas Jung vom Swiss Nanoscience Institute, Departement Physik der Universität Basel und Paul-Scherrer-Institut hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Kondensation von einzelnen Atomen erstmals Schritt für Schritt abbilden lässt. Die Forschenden liessen Atome des Edelgases Xenon in sogenannten Quantentöpfen kondensieren und untersuchten die entstehenden Ansammlungen darauf mithilfe der Rastertunnelmikroskopie.

Quantentöpfe als Messbecher

Die verwendeten Quantentöpfe entstehen jeweils durch Selbstorganisation von spezifisch «programmierten» Molekülen zu einem porösen Netzwerk auf einer Substratoberfläche. Sie dienen als Messbecher mit genau definierter Grösse, Form und atomarer Struktur des Bodens und der Wände. In den Quantentöpfen ist die Bewegungsfreiheit der Atome eingeschränkt, und ihre Anordnung lässt sich je nach Besetzung genau untersuchen und darstellen.

So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die Xenon-Atome immer nach einem bestimmten Prinzip anordnen. Beispielsweise bilden sich gewisse Einheiten aus vier Atomen erst, wenn sich mindestens sieben Atome im Quantentopf befinden. Befinden sich zwölf Atome in dem Quantentopf, entstehen drei sehr stabile Vierereinheiten.

Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen

Die an den Nanokondensaten zum ersten Mal erfassten Bilder und Strukturen erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Natur der physikalischen Bindungen, welche die Xenon-Atome eingehen. «Wir können dieses System aber nicht nur für Edelgase einsetzen», kommentiert die Erstautorin der Publikation, Sylwia Nowakowska. «Auch andere Atome und ihre Bindungen kann man damit untersuchen.» Da die Methode genau abbildet, wie sich die Atome aneinander binden und wie stabil die verschiedenen Zustände sind, lassen sich mit der neu entwickelten Methode auch theoretische Berechnungen über Bindungen überprüfen.

Die Ergebnisse der Studie basieren auf einer Zusammenarbeit von Forschenden aus der Schweiz, Brasilien, Schweden, Deutschland und den Niederlanden und wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlicht.

Originalbeitrag:
Sylwia Nowakowska, Aneliia Wäckerlin, Shigeki Kawai, Toni Ivas, Jan Nowakowski, Shadi Fatayer, Christian Wäckerlin, Thomas Nijs, Ernst Meyer, Jonas Björk, Meike Stöhr, Lutz H. Gade & Thomas A. Jung
Interplay of weak interactions in the atom-by-atom condensation of xenon within quantum boxes
Nature Communications (2015) | doi: 10.1038/ncomms7071

Externer Link: www.unibas.ch

Physiker sehen Proteinkristallen beim Wachsen zu

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 20.01.2015

Entstehung über einen Zwischenschritt aus einem vorläufigen Aggregat

Um die Struktur von Proteinen zum Beispiel bei der Wirkstoffsuche in der Arzneimittelforschung präzise zu bestimmen, benötigen Wissenschaftler diese in Form von Kristallen. Doch das Züchten von Proteinkristallen ist keine Routineangelegenheit, sondern häufig der sprichwörtliche Flaschenhals bei den Untersuchungen. Daher haben Andrea Sauter, Fajun Zhang und Professor Frank Schreiber vom Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Oxford und Grenoble einen wichtigen Schritt in der Keimbildung und dem Wachstum von Proteinkristallen beobachtet. Anders als bei der klassischen Theorie, nach der sich von Beginn an ein Keim in der endgültigen Form des Kristalls bildet, haben die Forscher einen Zwischenschritt bei der Kristallbildung beobachtet. Sie können nun die Dynamik der Proteinkristallisation genauer beschreiben, als dies bisher möglich war. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Physiker in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society.

Für das Züchten eines Kristalls bringen die Forscher den reinen Stoff in eine übersättigte Lösung. Darin bilden sich Keime, an die sich wie bei einem dreidimensionalen Puzzle aus lauter gleichen Teilen immer mehr Stoffmoleküle an die vorgegebene Passform anlagern können. So wächst der Kristall schließlich zu einer Größe, die auch für das menschliche Auge sichtbar sein kann. Die Tübinger Physiker haben vor allem die erste Phase der Bildung eines Proteinkristallkeims mittels Röntgenstrahlen und optischer Mikroskopie in Echtzeit untersucht. „Zunächst lagern sich die Proteinmoleküle zu Aggregaten zusammen“, berichtet Andrea Sauter. Sie hätten jedoch noch nicht die Form des späteren Kristalls. „Je mehr des Proteins in diese Zwischenphase eintritt, desto schneller bilden sich die Keime.“

Die Wachstumsgeschwindigkeit der neuen Kristalle sei in diesem Schritt jedoch gering, was mit der geringen Mobilität der Proteine im Aggregat zusammenhängen könnte. Dieser erste Schritt dauert an, bis das Aggregat aufgebraucht ist. Danach wächst der Kristall schneller. Beweglichere Proteinmoleküle aus der gelösten, flüssigen Phase können direkt an der Wachstumsfront des Kristallkeims andocken. Zu dieser Zeit bilden sich neue Keime jedoch deutlich langsamer. „All diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Proteinaggregate als Vorläufer der Kristalle eine wichtige Rolle in dem zweistufigen Prozess spielen“, fasst die Wissenschaftlerin zusammen. Möglicherweise lassen sich aus dem tieferen Verständnis der Vorgänge verbesserte Techniken für die Praxis der Kristallzüchtung und damit für wichtige Fragestellungen der Arzneimittelforschung und der Strukturbiologie ableiten.

Originalveröffentlichung:
Andrea Sauter, Felix Roosen-Runge, Fajun Zhang, Gudrun Lotze, Robert M. J. Jacobs, Frank Schreiber: Real-Time Observation of Nonclassical Protein Crystallization Kinetics. Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/ja510533x.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de