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Mit Gedanken Gene steuern

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 11.11.2014

ETH-Forscher um Martin Fussenegger haben das erste Gen-Netzwerk entwickelt, das über Hirnströme in Gang gesetzt wird und je nach Gedanken unterschiedliche Mengen eines gewünschten Moleküls produziert. Pate stand ein Spiel, das ebenfalls Hirnströme abgreift, um damit einen Ball durch einen Hindernisparcours zu lenken.

Es klingt beinahe wie in der Weltraum-Saga «Star Wars», in der Meister Yoda dem jungen Luke Skywalker beibringt, wie man durch die Kraft der Gedanken den X-Wing Starfighter aus dem Sumpf birgt: Marc Folcher sowie weitere Forscherinnen und Forscher aus der Gruppe von Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwissenschaften am Departement Biosysteme (D-BSSE) in Basel, haben eine neuartige Genregulationsmethode entwickelt, bei der Gedanken – respektive die spezifischen Hirnströme, die sie erzeugen – die Umsetzung von Genen in Proteine, in der Fachsprache Expression genannt, steuern.

«Es ist uns zum ersten Mal gelungen, menschliche Hirnströme abzugreifen, diese drahtlos an ein Gen-Netzwerk zu übertragen und die Expression eines Gens, je nach Art der Gedanken, zu regulieren. Die Kontrolle von Genexpression durch die Macht der Gedanken war ein Traum, den wir seit über einem Jahrzehnt verfolgen», sagt Fussenegger.

Eine Inspirationsquelle für das neue durch Gedanken kontrollierte Gen-Regelwerk war das Spiel «Mindflex». Dabei trägt ein Spieler eine Art Kopfhörer mit Sensor auf der Stirn, der die Hirnströme aufzeichnet. Das registrierte Elektroenzephalogramm (EEG) wird dann in die Spielumgebung übertragen. Dabei kontrolliert das EEG einen Ventilator, um so einen kleinen Ball durch einen Hindernisparcours zu lenken.

Drahtlose Übertragung auf Implantat

Das System, das die Basler Bioingenieure soeben in «Nature Communications» vorgestellt haben, besteht nun ebenfalls aus einem EEG-Kopfhörer. Die aufgefangenen Hirnströme werden ausgewertet und drahtlos via Bluetooth an einen Controller übertragen. Dieser steuert einen Feldgenerator, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches ein Implantat induktiv mit Strom versorgt.

Im Implantat geht danach buchstäblich ein Licht auf: Ein integriertes LED-Lämpchen, das Licht im Nah-Infrarotbereich abstrahlt, schaltet sich an und beleuchtet eine Kulturkammer mit genetisch veränderten Zellen. Sobald das Nah-IR-Licht die Zellen anstrahlt, beginnen diese mit der Herstellung des gewünschten Proteins.

Gedanke steuert Proteinmenge

Das Implantat wurde vorerst in Zellkulturen und in Mäusen getestet, gesteuert durch die Gedanken verschiedener Testpersonen. In ihren Tests arbeiteten die Forschenden mit SEAP, einem einfach nachzuweisenden menschlichen Modell-Eiweiss, das aus der Kulturkammer des Implantates in den Blutkreislauf der Maus diffundiert.

Um die Menge des freigesetzten Proteins zu regulieren, mussten sich die Testpersonen in drei verschiedene Gedankenzustände versetzen: Biofeedback, Meditation und Konzentration. Testpersonen, welche am Computer Minecraft spielten, sich also konzentrierten, induzierten mittlere SEAP-Werte im Blutkreislauf der Mäuse, während im Zustand völliger Entspannung, also bei Meditation, sehr hohe SEAP-Blutwerte in den Versuchstieren erreicht wurden. Beim Bio-Feedback beobachteten die Testpersonen das LED-Licht des Implantats im Körper der Maus und konnten durch diese visuelle Rückkopplung ihrer Gedanken das LED-Licht bewusst möglichst lange ein- oder ausschalten. Dies wiederum schlug sich in wechselnden Mengen an SEAP im Blutkreislauf der Tiere nieder.

Neues lichtempfindliches Genkonstrukt

«Eine solche Gen-Steuerung ist komplett neu und in ihrer Einfachheit einzigartig», führt Fussenegger aus. Eine Neuentwicklung sei insbesondere das lichtempfindliche optogenetische Modul, welches auf Nah-Infrarotlicht reagiert. Dabei trifft das Licht auf ein modifiziertes lichtempfindliches Protein im Inneren von genveränderten Zellen und löst dort eine künstliche Signalkaskade aus, an deren Ende die Herstellung von SEAP steht. Nah-Infrarot wurde deshalb verwendet, weil es für menschliche Zellen weitgehend unschädlich ist, tief ins Gewebe einzudringen vermag und die Funktion des Implantates visuell verfolgt werden kann.

Das existierende System funktioniert im Mensch-Zellkultur- und Mensch-Maus-System einwandfrei. Fussenegger hofft, dass ein gedankengesteuertes Implantat dereinst helfen könnte, neurologische Erkrankungen wie chronische Kopf- und Rückenschmerzen sowie Epilepsie durch spezifische Hirnströme frühzeitig zu erkennen. Dadurch könnte die rechtzeitige Bildung gewisser Wirkstoffe in eingesetzten Implantaten ausgelöst und gesteuert werden.

Literaturhinweis:
Folcher M, Oesterle S, Zwicky K, Thekkottil T, Heymoz J, Hohmann M, Christen M, Daoud El-Baba M, Buchmann P, Fussenegger, M: Mind-controlled transgene expression by a wireless-powered optogenetic designer cell implant. Nature Communications, published online 11th November 2014. DOI: 10.1038/ncomms6392

Externer Link: www.ethz.ch

Rechnen mit der Krankheit

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Presseinformation der LMU München vom 03.11.2014

Neue Algorithmen schaffen bessere Voraussetzungen für klinische Studien bei Amyotropher Lateralsklerose: LMU-Bioinformatiker begleiten einen Crowdsourcing-Wettbewerb, der neue Anstöße für die Entwicklung von Medikamenten liefert.

Die Diagnose Amyotrophe Lateralsklerose kommt einem Todesurteil gleich. Die Nervenkrankheit, kurz ALS, zerstört nach und nach Nervenzellen, die die Muskulatur steuern. Die Patienten leiden unter Muskelschwund und Lähmungen, wobei auch Sprechen, Schlucken und Atmung betroffen sind. In der Regel sterben ALS-Kranke drei bis fünf Jahre nach Ausbruch der Krankheit. Doch die Krankheit verläuft nicht bei allen Patienten gleich. „Die unterschiedlichen Krankheitsverläufe machen es sehr schwierig, effektive Behandlungsansätze zu entwickeln“, sagt Dr. Robert Küffner von der Lehr- und Forschungseinheit Bioinformatik der LMU und dem Helmholtz Zentrum München.

Um bessere Voraussetzungen für klinische Studien zu schaffen, hat Küffner mit einem internationalen Wissenschaftlerteam, in Zusammenarbeit mit ALS-Initiativen, Ärzten und dem IBM DREAM Projekt, einen Crowdsourcing-Wettbewerb organisiert. Die Aufgabe war es, Algorithmen zu entwickeln, die den Krankheitsverlauf von ALS vorhersagen können. Denn Computergestützte Rechenmethoden können eine Vielzahl an Patientendaten auswerten und so Informationen zu zukünftigen Krankheitsverläufen und Diagnoseansätzen liefern. Über den Wettbewerb und die zwei besten Algorithmen berichtet das Forscherteam aktuell in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology.

Die Teilnehmer am Crowdsourcing-Wettbewerb erhielten anonymisierte Daten von 1822 ALS-Patienten. Für jeden Patienten lagen Daten zu den ersten drei Monaten der Krankheit vor. Die Aufgabe war es, Vorhersagen zu treffen, wie es dem jeweiligen Patienten neun Monate später gehen würde. Um die Vorhersagekraft der Algorithmen zu bewerten, wurde dann das tatsächliche Befinden der Patienten mit den prognostizierten Werten verglichen. „Die zwei besten Algorithmen übertreffen die bisher bekannten Vorhersagemöglichkeiten und die Einschätzungen von Ärzten, die ALS-Patienten betreuen“, sagt Küffner. „Dadurch lassen sich klinische Studien deutlich verbessern. Wenn der Krankheitsverlauf eines Patienten bekannt ist, lässt sich die Wirkung von Medikamenten besser beurteilen.“ Außerdem wurden im Rahmen des Wettbewerbs Kriterien erkannt, die den Krankheitsverlauf vorhersagen können, die bislang nicht dafür herangezogen werden: Werte für Harnsäure und Kreatinin sowie der Blutdruck. „Das zeigt, welch großes Potenzial Crowdsourcing-Wettbewerbe für die ALS-Forschung haben“, sagt Küffner, der die technische Aufsicht über den Wettbewerb geführt hat.

Mehr Daten, neuer Wettbewerb

Die anonymisierten Patientendaten stammten aus klinischen Studien. Sie enthielten beispielsweise Angaben zu den Blutwerten und den motorischen Fähigkeiten der Erkrankten. „Das Problem bei diesen Daten ist, dass sie recht komplex und auch uneinheitlich sind, weil sie aus verschiedenen Labors stammen“, sagt Küffner, der daher die Daten zunächst aufbereitet hat, bevor sie der Crowd zur Verfügung gestellt wurden. 37 Algorithmen wurden schließlich eingereicht. „Viele der Teilnehmer hatten bislang mit medizinischen Anwendungen keine Erfahrung, aber ihre Methoden sind auf die klinischen Daten übertragbar. Das Crowdsourcing hat ganz neue Perspektiven für die Forschung erschlossen und hilft, die tatsächlich besten Rechenmethoden zu finden“, sagt Küffner. Auch die beiden prämierten Algorithmen wurden zuvor noch nicht im klinischen Umfeld eingesetzt. Da ihre Vorhersagekraft sogar besser ist als die Prognose ALS-erfahrener Ärzte, planen die Wissenschaftler, die neuen Vorhersagemethoden in den klinischen Alltag zu überführen. „Damit könnten sie direkt den Patienten zugute kommen“, sagt Küffner.

Der Crowdsourcing-Wettbewerb wurde ermöglicht durch die ALS-Initiative Prize4Life, die zusammen mit dem Neurological Clinical Research Institute vom Massachusetts General Hospital die Open-Access-Datenbank ALS Clinical Trials gegründet hat und auch einen Preis von 50.000 Euro für den besten Algorithmus ausgelobt hatte. Inzwischen enthält die Plattform Daten aus klinischen Studien von insgesamt 8600 Patienten. „Diese Datenmenge ermöglicht es, ALS und den Krankheitsverlauf besser zu verstehen“, sagt Küffner, der inzwischen einen zweiten Crowdsourcing-Wettbewerb mit dem neuen Datenpool vorbereitet.

Publikation:
Nature Biotechnology, online 2. November 2014

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Spin-off der TU Wien bringt optisches Mikrofon zur Marktreife

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Presseaussendung der TU Wien vom 12.11.2014

Unempfindlich gegenüber Wind und Vibrationen, hochpräzise in einem extrem weiten Frequenzbereich: Das Lasermikrofon von Xarion vereint viele Vorteile.

Mit Licht Schallwellen messen – das klingt vielleicht auf den ersten Blick merkwürdig, könnte die akustische Mess- und Aufnahmetechnik aber in vielen Bereichen verändern. An der TU Wien erfand Balthasar Fischer im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) ein Lasermikrofon, mittlerweile entwickelt er seine patentierte Erfindung in der Startup-Firma Xarion weiter. Dass sich mittlerweile sowohl internationale Großkonzerne als auch Nobelpreisträger für die Erfindung interessieren, ist kein Wunder. Die Schallmessung mit Laserlicht hat viele entscheidende Vorteile.

Lichtwellen statt Membran

In herkömmlichen Mikrofonen wird eine Membran vom Schall in Schwingung versetzt, und diese Schwingung wird dann aufgezeichnet. Dadurch ist das Mikrofon aber auch anfällig für äußere Vibrationen oder Wind und kann akustische Signale manchmal verzerren. Das Mikrofon von Balthasar Fischer kommt ganz ohne Membran aus.

Schallwellen sind nichts anderes als kleine Luftdruckschwankungen. Ändert sich der Luftdruck im Mikrofon, dann ändert sich dort auch die Wellenlänge des Lichts ein kleines bisschen. „Wir verwenden ein ausgeklügeltes Spiegelsystem, das die Lichtwellen eines Laserstrahls nur in einem sehr engen Wellenlängen-Bereich durchlässt. So kann man minimale Wellenlängenänderungen präzise messen“, erklärt Balthasar Fischer.

Vom Elektrotechnik-Forschungslabor zur eigenen Firma

Am Institut für Photonik an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien entwickelte Fischer seinen ersten Mikrofon-Prototypen. Unterstützt von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) gründete er 2012 gemeinsam mit seinem Kollegen Leonhardt Bauer die Firma Xarion, um seine Idee weiterzuentwickeln und zu vermarkten. Inzwischen arbeiten zehn Leute bei dem jungen Startup-Unternehmen und das erste Produkt ist bereits marktreif.

Im September 2014 hat sich Hans-Peter Porsche finanziell am Unternehmen beteiligt, als Vorsitzenden des Scientific Advisory Board konnte Xarion den deutschen Nobelpreisträger und Laser-Spezialisten Prof. Theodor Hänsch gewinnen. „Die Beteiligung von Porsche war für uns sehr wichtig, um Planungssicherheit zu haben. Hänsch als Berater bringt uns fachlich natürlich immer wieder unglaubliche Vorteile“, sagt Balthasar Fischer.

Leistungsstark bis zum Ultraschall-Bereich

Gewöhnlichen Mikrofonen geht es mit hohen Tönen so ähnlich wie uns Menschen: Mit steigender Frequenz sinkt die Empfindlichkeit, und ab einer gewissen Tonhöhe nimmt man gar nichts mehr wahr. Das Laser-Mikrofon kann dieses Problem beheben. Es zeigt eine gleichbleibend lineare Empfindlichkeit bis in den Ultraschallbereich. „Das ist in der akustischen Messtechnik ganz unerlässlich, zum Beispiel bei der Messung von Lärmimmissionen, aber auch in Bereichen wie der zerstörungsfreien Materialprüfung oder in der Medizintechnik“, sagt Balthasar Fischer.

Das Mikrofon ist mechanisch sehr stabil, es ist unempfindlich gegenüber Wind und Vibrationen, es funktioniert sogar in Flüssigkeiten und es kann seine Signale optisch über ein Glasfaserkabel weitergeben. „Gerade die elektrischen Kabelstrecken, die man sonst in der akustischen Messtechnik benötigt, sind oft ein Problem“, sagt Fischer. Dort können durch elektromagnetische Strahlung von außen Störungen entstehen. Bei einer optischen Datenübertragung ist das kein Problem, da kann man bedenkenlos auch lange Kabelstrecken verwenden.

Eine erste Version des optischen Mikrofons gibt es bei Xarion nun bereits zu kaufen, an weiteren Modellen wird laufend gearbeitet. „Es ging gut voran in diesen zwei Jahren. Es ist aufregend mitzuerleben, wie rasant sich so eine technische Idee entwickeln kann“, sagt Balthasar Fischer. „An neuen Ideen und möglichen Marktnischen mangelt es uns jedenfalls nicht.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Verdrehte Welt – Chemiker bauen molekulares Geländer

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 13.11.2014

Chemikern der Universität Basel ist es gelungen, ein Molekül auf eine neuartige Weise zu verdrehen, indem sie unterschiedlich lange Molekülstränge miteinander verbanden. Dabei windet sich der längere Strang wie ein Treppengeländer um eine zentrale Achse, und es entsteht eine spiegelbildliche Struktur, die über besondere physikalischen Eigenschaften verfügt. Die Resultate wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Angewandte Chemie» veröffentlicht.

Die Chemie aller Stoffe wird zu einem wichtigen Teil von ihrer räumlichen Anordnung bestimmt. Viele Moleküle können in zwei Formen vorkommen, die sich wie die linke Hand zur rechten verhalten. Insbesondere der Organismus unterscheidet sehr spezifisch zwischen links- und rechtshändigen Molekülen – ein Wirkstoff kann beispielsweise in der einen Form äusserst aktiv sein, sein Spiegelbild aber überhaupt nicht. Das fundamentale Verständnis dieser sogenannten Chiralität ist deshalb schon lange ein zentrales Thema der forschenden Chemie.

Verbindung unterschiedlich langer Stränge

Die Wissenschaftler um Prof. Marcel Mayor am Departement Chemie der Universität Basel haben einen neuen Ansatz entwickelt, um eine kleines Molekül in eine Form zu bringen, die dem Geländer einer Wendeltreppe ähnlich ist. Die Verbindung zweier unterschiedlich langer Oligomerstränge führt auf molekularer Ebene dazu, dass sich der längere Strang von selbst um den kürzeren windet, um die Längendiskrepanz auszugleichen.

Dabei entsteht eine Helix mit einer definierten links- oder rechtsdrehenden Laufrichtung und das gesamte Molekül wird händig (chiral). Zudem konnten die Forscher zeigen, dass es dem helixförmigen Molekül auch möglich ist, innerhalb einiger Stunden seine Form dynamisch von linkshändig nach rechtshändig und wieder zurück zu wechseln.

«Nicht nur die strukturelle Schönheit macht dieses Molekül so einzigartig», sagt Mayor, «es ist vor allem ein gänzlich neues Konzept, wie eine solche kontinuierliche Helix aufgebaut werden kann.»

Leistungsfähige Verfahren zur Herstellung chiraler Verbindungen sind sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Industrie von Interesse, beispielsweise zur Untersuchung biologischer Systeme, in der Pflanzenschutzchemie sowie in der Pharma- und Riechstoffindustrie. Das Projekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds gefördert.

Originalbeitrag:
Rickhaus, M., Bannwart, L. M., Neuburger, M., Gsellinger, H., Zimmermann, K., Häussinger, D. and Mayor, M.
Induktion axialer Chiralität in einem Geländer-Oligomer durch Längendiskrepanz der Oligomerstränge
Angewandte Chemie (2014) | doi: 10.1002/ange.201408424
Inducing Axial Chirality in a “Geländer” Oligomer by Length Mismatch of the Oligomer Strands
Angewandte Chemie International Edition (2014) | doi: 10.1002/anie.201408424

Externer Link: www.unibas.ch

Tübinger Physiker ebnen den Weg zum Bau von Quantenschnittstellen

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 28.10.2014

Wechselwirkung von Licht und Materie wird auf der Ebene einzelner Photonen kontrolliert

Einer Forschergruppe um den Juniordozenten Dr. Sebastian Slama vom Physikalischen Institut der Universität Tübingen ist es erstmals gelungen, die Fluoreszenz von ultrakalten Atomen gezielt in sogenannte Oberflächen-Plasmonen zu lenken. Als Plasmonen bezeichnen Physiker Lichtwellen, die sich auf einer metallischen Oberfläche ausbreiten – ähnlich wie Elektronen in einem Draht fließen. Ziel in der Quantenforschung sind winzige Systeme, in denen etwa die Wechselwirkungen von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Lichtquanten, den Photonen, kontrolliert werden können. Aus solchen kontrollierten Systemen ergeben sich viele mögliche Anwendungen, wie zum Beispiel Schalter und Transistoren, die auf einem einzelnen Photon beruhen.

Im Experiment haben die Physiker Rubidiumatome in einer Ultrahochvakuum-Apparatur bis auf eine Temperatur von einem Millionstel Kelvin, dicht über dem absoluten Nullpunkt, abgekühlt und dann gezielt in einen Abstand von wenigen hundert Nanometern – das sind millionstel Millimeter – an eine Goldoberfläche herangebracht. Die Atome schweben hierbei frei im Vakuum und werden nur von magnetischen Feldern gehalten. Unter diesen Bedingungen strahlen die Atome Licht bevorzugt in die Oberflächen-Plasmonen ab, wo die Wissenschaftler dann einzelne abgestrahlte Photonen nachgewiesen haben. „Dieser Prozess läuft sehr effizient ab, wir sprechen auch von einer hohen Kooperativität der Atome“, erklärt Sebastian Slama. In den Experimenten habe sich die Licht-Materie-Kopplung zudem einfacher realisieren lassen als bei alternativen Verfahren mit optischen Resonatoren. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

„Die neu entwickelte Methode kann künftig genutzt werden, um Quanteninformationen, die im Atom gespeichert wurden, möglichst verlustfrei auszulesen und weiterzuverarbeiten“, sagt der Wissenschaftler. Damit verbindet er die Hoffnung, dass die Konstruktion von Schnittstellen zwischen Quantenspeichern und Quantendatenleitungen – und damit der Bau eines hocheffizienten, völlig neuartigen Computers – in greifbare Nähe gerückt ist.

Originalpublikation:
Christian Stehle, Claus Zimmermann and Sebastian Slama: Cooperative coupling of ultracold atoms and surface plasmons. Nature Physics, Online-Veröffentlichung 26. Oktober 2014, DOI: 10.1038/nphys3129

Externer Link: www.uni-tuebingen.de