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Zellulärer Kompass erfolgreich transplantiert

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Presseinformation der LMU München vom 24.02.2014

Magnetbakterien orientieren sich mithilfe eines inneren Kompasses. Nun ist es gelungen, die für die Synthese dieses Organells zuständigen Gene komplett in einen anderen Organismus einzuschleusen – ein großer Fortschritt für die Biotechnologie.

Magnetbakterien nutzen das Magnetfeld der Erde, um im Schlamm von Gewässern oben und unten zu unterscheiden und für sie optimale Lebensbereiche aufzusuchen. Dabei helfen ihnen einzigartige Organellen, die Magnetosomen. Magnetosomen bestehen aus winzigen Magnetitkristallen, die von einer biologischen Membran umhüllt sind. Diese sind in regelmäßigen Ketten angeordnet und bilden einen zellulären Mini-Kompass, der dafür sorgt, dass die ganze Bakterienzelle wie eine Kompassnadel im Erdmagnetfeld ausgerichtet wird.

Das Magnetosom ist eine der kompliziertesten Strukturen, die aus Bakterienzellen bekannt sind. Seine Synthese erfordert viele verschiedene Schritte, die genetisch gesteuert werden. „Wir konnten in den letzten Jahren nachweisen, dass mindestens 30 spezielle Gene beteiligt sind, die in einem bestimmten Abschnitt des Genoms geclustert sind“, sagt der LMU-Mikrobiologe Dirk Schüler, der mit seiner Arbeitsgruppe seit mehr als 15 Jahren Magnetbakterien erforscht. „Bisher war aber unklar, ob noch weitere, bisher unbekannte Genfunktionen für die Bildung des Magnetosoms erforderlich sind“.

Biotechnologisch interessant, aber schwer kultivierbar

Diese Frage ist auch für die Biotechnologie hoch interessant, weil Magnetosomen magnetische Nanopartikel darstellen, die mit ähnlich perfekten Eigenschaften bisher nicht für technische oder biomedizinische Anwendungen – etwa in der biomedizinischen Bildgebung – chemisch synthetisiert werden können. Die weitere Erforschung der biologischen Produktion der Magnetosomen stand allerdings bisher vor der Schwierigkeit, dass natürlich vorkommende Magnetbakterien entweder gar nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten im Labor gezüchtet werden können.

Daher war es schon lange ein Traum vieler Wissenschaftler, die relevanten Gene komplett in andere, bessere kultivierbare Organismen zu übertragen. „Allerdings ist das methodisch ziemlich schwierig, weil die Zahl der zu übertragenden Gene ungewöhnlich groß ist“, erklärt Isabel Kolinko, die Erstautorin der Studie. Damit das Magnetosom gebildet werden kann, müssen zudem zahlreiche zelluläre Biosynthese-Schritte in der richtigen räumlichen und zeitlichen Reihenfolge ablaufen. Das erfordert eine genaue Steuerung. Außerdem war unklar, ob noch weitere, bisher unbekannte Genfunktionen erforderlich sind. Deswegen war es ungewiss, ob dieses Ziel je erreicht werden kann. Nun gelang den Wissenschaftlern der Durchbruch: Gemeinsam mit Kollegen vom Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung in Saarbrücken schleuste Schülers Team alle bekannten Magnetosomengene aus dem Magnetbakterium Magnetospirillum gryphiswaldense in das Photosynthese betreibende Bakterium Rhodospirillum rubrum ein.

Nanomagnete aus dem Bioreaktor

„Nach der Übertragung bildete R.rubrum Ketten magnetischer Kristalle, die denjenigen von M.gryphiswaldense entsprechen und sich wie bei diesem im Erdmagnetfeld ausrichten – damit haben wir erstmals demonstriert, dass die Transplantation eines so komplexen Biosynthesewegs in einen anderen Organismus möglich ist“, betont Schüler. Zudem beweist dieser Erfolg, dass die bisher bekannten 30 Gene für die Bildung von Magnetosomen ausreichen.

R.rubrum wählten die Wissenschaftler als Wirtsorganismus, weil sich dieses Bakterium im Vergleich zu den empfindlichen Magnetbakterien besser züchten lässt. Der neu entstandene Stamm ist mit seinen magnetischen Eigenschaften bereits jetzt biotechnologisch hoch interessant, da er voraussichtlich die Produktion von Magnetnanopartikeln erleichtert: Er ist schnellwüchsiger als M.gryphiswaldense und liefert größere Ausbeuten. Damit wird eine billigere Herstellung der Nanopartikel möglich.

„Noch bedeutsamer ist, dass es damit für die Zukunft sogar möglich erscheint, durch die gezielte Manipulation mit Methoden der synthetischen Biologie die Eigenschaften der biogenen Nano-Magnete noch zu verbessern, beziehungsweise Nanomagnete mit ganz neuen Eigenschaften herzustellen, etwa in Bezug auf deren Form, Größe, Zahl und magnetische Eigenschaften“, erklärt Schüler. Falls es gelingt, die erforderlichen Gene weiter einzugrenzen und anzupassen, könnten diese möglicherweise auch in Zellen höherer Organismen eingeschleust werden – und diese so magnetisieren. „Dies hätte vor allem für die wissenschaftliche Grundlagenforschung enormes Anwendungspotential, z.B. bei der experimentellen Manipulation von zellulären Prozessen und als zellulärer „Reporter“ für die Untersuchung mit bildgebenden Verfahren“, sagt Schüler. (göd)

Publikation:
Nature Nanotechnology 2014

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Feste Flüssigkeiten

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 18.02.2014

Chemiker entwickeln neuartige Funktionsmaterialien für die Wärmespeicherung

Kooperation von Forschern aus Bochum und Cambridge

Chemiker der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Cambridge haben neuartige Metall-Organische Netzwerke entwickelt. Ähnlich einer Flüssigkeit weisen sie eine sehr große thermische Expansion auf, sie sind dennoch Feststoffe. Der thermische Expansionskoeffizient gibt an, wie stark sich ein Material bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Das verblüffende Phänomen beruht auf dem Wechselspiel der starken und schwachen Kräfte zwischen den geordneten und den ungeordneten molekularen Bausteinen des neuen Materials. Die Forscher berichten darüber in der Zeitschrift „Advanced Functional Materials“.

Ausgangsfrage

Flüssigkeiten reagieren sensibel auf Wärme oder Kälte. Je nach Art der Temperaturänderung steigt oder fällt der gefärbte Alkoholfaden im Thermometer. Hundertmal weniger empfindlich sind dagegen feste Stoffe, Beton oder Stahl zum Beispiel. Dennoch kommt kein Bauwerk ohne Dehnungsfugen aus. Besonders ungewöhnlich verhält sich Wasser, denn es dehnt sich beim Gefrieren aus. Eis schwimmt, Seen frieren von der Oberfläche her zu, und bei 4 °C hat Wasser seine größte Dichte. Kann es feste Stoffe geben, die sich wie Flüssiges verhalten, wenn ihnen heiß oder kalt wird? Und wenn das möglich wäre, was könnte man damit anfangen?

Extreme thermische Expansion

Die Forscher aus Bochum und Cambridge haben einen Trick angewandt, um die thermische Expansionsfähigkeit von sogenannten Metal-Organischen Netzwerken gezielt zu erhöhen. An den geordneten, organischen Baueinheiten des festen Rahmenwerkes wurden zusätzliche Molekülgruppen angebracht. Diese füllen die nanometer-großen Porenräume des Netzwerks teilweise aus. Die Gruppen verhalten sie sich wie eine ungeordnete Flüssigkeit, aber sie können wegen der Bindung an die Porenwände den Raum nicht verlassen. So überträgt sich ihre Wärmebewegung auf das Netzwerk. Beim Erwärmen bläht sich das feste Material schlagartig um ca. 20% auf. Jedoch bleibt seine kristalline Eigenschaft erhalten. Der Vorgang ist vollständig umkehrbar. Temperaturabhängige Röntgenbeugung und kalorimetrische Messungen ergaben extrem große thermische Expansionskoeffizienten, wie man sie bisher nur von Flüssigkeiten kannte, nicht aber von Feststoffen. Die Art der Seitengruppen hat großen Einfluss auf den Effekt. So spielen Länge und chemischer Charakter die entscheidende Rolle. Durch die gezielte Synthese von „Festen Lösungen“, die verschiedene Seitenketten in zufälliger Verteilung und beliebigen Verhältnissen im Netzwerk vereinen, können thermischen Eigenschaften der Materialien noch genauer kontrolliert werden. Die Erkenntnisse legen Grundlagen für Anwendungen in der Wärmespeicherung und -übertragung sowie der Sensorik.

Flexible Netzwerke

Metall-Organische Netzwerke (kurz MOFs, aus dem Englischen: Metal-Organic Frameworks) sind hochgeordnete (kristalline) Festkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur. Sie sind aufgebaut aus Metallionen (Knotenpunkte) und verknüpfenden organischen Molekülen (Verbinder; engl. Linker). Die Materialien zeichnen sich durch unvergleichlich hohe Porenvolumina und innere Oberflächen aus. Sie besitzen großes Potenzial für Anwendungen in der Brennstoffspeicherung, bei der Kohlenstoffdioxid-Abtrennung sowie bei der Katalyse. MOFs können flexibel sein und auf äußere Einflüsse mit strukturellen Änderungen reagieren. Bei Aufnahme von Gastmolekülen (z. B. Lösungsmittel oder Gase) „blähen“ die flexiblen MOFs ihre Struktur auf; das erhöht das Speichervermögen.

Projektförderung

Die Fördermittel für die Arbeiten stammen von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (SPP 1362 „Metal-Organic Frameworks“, EXC 1069 Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“), dem European Research Council, der Ruhr-University Research School und der Fonds der Chemischen Industrie. (Arne Dessaul)

Titelaufnahme:
S. Henke, A. Schneemann, R. A. Fischer (2013): Massive Anisotropic Thermal Expansion and Thermoreponsive Breathing in Metal-Organic Frameworks Modulated by Linker Functionalization, Advanced Functional Materials, 23, 5990-5996; DOI: 10.1002/adfm.201301256

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Wie man Graphen supraleitend machen kann

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Pressemeldung der Universität Wien vom 11.02.2014

Sobald ein neuartiges Material entdeckt wird, ist eine der ersten Fragen: Kann das neue Material supraleitend sein? Das gilt insbesondere für das Wundermaterial Graphen. Nun erforschte ein internationales Team um Wissenschaftler der Universität Wien den supraleitenden Paarungsmechanismus in mit Kalzium dotierten Graphen. In ihren Arbeiten verwendeten sie Synchrotronstrahlung, um damit die winkelaufgelöste Photoemission von Graphen zu messen. Ihre Ergebnisse erscheinen im renommierten Journal „Nature Communications“.

Supraleitende Materialien besitzen eine außerordentlich wertvolle Eigenschaft: Sie können elektrischen Strom verlustfrei transportieren, wenn sie unter eine kritische Temperatur gekühlt werden. Supraleitung entsteht in bestimmten Materialien durch die Paarung von Elektronen, die sich bei höheren Temperaturen normalerweise abstoßen würden. Wissenschaftler aus der Gruppe „Elektronische Materialeigenschaften“ an der Fakultät für Physik (Universität Wien) und ihre internationalen Kollaborationspartner machten sich gemeinsam an die Arbeit, um den möglichen supraleitenden Paarungsmechanismus im Wundermaterial Graphen zu untersuchen.

Die Entdeckung von Graphen, eine Schicht von Kohlenstoffatomen so dünn wie ein einzelnes Atom, im Jahr 2004 gilt als einer der größten Durchbrüche in der Festkörperphysik. Die Bedeutung der zweidimensionalen Materialien ist so wesentlich, dass dafür ein Nobelpreis vergeben wurde. Bisher gab es jedoch keine Hinweise auf Supraleitung in Graphen, obwohl nahe Verwandte von Graphen wie z.B. Graphit und Fullerene durch das vorsätzliche Einführen von Elektronen (Dotieren) zu Supraleitern werden.

Einsteins weitläufiger Erbe: die winkelaufgelöste Photoemission

Um Aufschluss über eine mögliche Supraleitung in Graphen zu erhalten, machten die WissenschafterInnen von einer der leistungsfähigsten Methoden der Festkörperspektroskopie Gebrauch: die winkelaufgelöste Photoemission (engl. ARPES). Wenn ein Lichtteilchen auf ein Material auftrifft, kann es so viel Energie auf ein Elektron im Inneren des Materials übertragen, dass das Elektron aus dem Material herausgeschlagen wird (der von Albert Einstein entdeckte photoelektrische Effekt). Die ForscherInnen messen dann, unter welchem Winkel die Elektronen aus dem Material entweichen, und können so nützliche Informationen über die elektronischen Eigenschaften eines Materials und die komplexe Vielteilchenphysik erfahren.

Nikolay Verbitskiy und Alexander Grüneis von der Universität Wien zusammen mit Alexander Fedorov und Denis Vyalikh vom IFW-Dresden und der TU-Dresden und Danny Haberer von der University of California / Berkeley sowie weitere KollegInnen setzten die winkelaufgelöste Photoemissionmethode am Elettra Synchrotron in Triest ein. Dabei untersuchten sie das Zusammenspiel einer Reihe von Elektronendonoren (Cs, Rb, K, Na, Li, Ca) mit einer Monoschicht Graphen.

Kalzium macht das Rennen

Dabei fanden die WissenschaftlerInnen heraus, dass Kalzium der vielversprechendste Kandidat ist, um Supraleitung in Graphen bei einer kritischen Temperatur von 1,5K einzuleiten. Diese Temperatur ist relativ niedrig im Vergleich zu Fullerenen, die bei 33K supraleitend werden. Allerdings hat Graphen einige entscheidende Vorteile: Es besteht nur aus Oberfläche und kann leicht chemisch funktionalisiert werden. Außerdem kann es in verschiedenen Stapelfolgen gewachsen werden und auf unterschiedliche Arten dotiert werden. Dadurch bietet Graphen den ExperimentatorInnen eine Vielzahl an Möglichkeiten, um die elektronischen Eigenschaften gezielt zu modifizieren.

Publikation:
„Observation of a universal donor-dependent vibrational mode in graphene“
A.V. Fedorov, N.I. Verbitskiy, D. Haberer, C. Struzzi, L. Petaccia, D. Usachov, O.Y. Vilkov, D.V. Vyalikh, J. Fink, M. Knupfer, B. Büchner & A. Grüneis
Nature Communications | 5:3257 | DOI: 10.1038/ncomms4257

Externer Link: www.univie.ac.at

Physiker filmen und manipulieren Bewegung von Bismut-Atomen

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Pressemitteilung der Universität Kassel vom 10.02.2014

Mit Hilfe eines Tricks ist es Physikern aus Kassel und Japan gelungen, die Bewegung von Atomen in Bismut quasi zu filmen und zu manipulieren – ein Zwischenschritt zur Entwicklung ultraschneller Schalter auf atomarer Skala.

Seit langem träumen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon, die Bewegung von Atomen in Materialien in Echtzeit mit Hilfe von Licht zu visualisieren und zu kontrollieren. Wäre man in der Lage, gezielt die Atome eines Materials in bestimmte vorprogrammierte Richtungen zu verschieben, so könnte man ultraschnelle Schalter auf atomarer Skala herstellen.

Um die Bewegung der Atome zu kontrollieren, muss man sie jedoch visualisieren können: Erst wenn man versteht, wohin sich Teilchen bei Laser-Bestrahlung bewegen, kann man diese Bewegung zu seinen Zwecken einsetzen. Nur: Keine Kamera kann dies leisten. Atome sind eine Milliarde mal schneller, als die schnellste kommerzielle Kamera der Welt aufzeichnen kann, und so klein, dass eine Auflösung von 100 Billiarden Megapixeln notwendig wäre, um ihre Bewegung beobachten zu können. Prof. Dr. Martin Garcia, Leiter des Fachgebiets Festkörper und Ultrakurzzeitphysik an der Universität Kassel, und Dr. Eeuwe Zijlstra, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet, haben es dennoch geschafft: mit einem Trick.

„Tür zur Lichtmanipulation von Atomen in Festkörpern ist jetzt offen“

Mit Hilfe von extrem kurzen Lichtpulsen nämlich ist es neuerdings möglich, zeitaufgelöst zu beobachten, wie Materialien nach Laseranregung Licht anders reflektieren: Durch die Anregung werden die Atome in schnelle Schwingungen versetzt, die dazu führen, dass das Licht im Laufe der Zeit vom Material anders zurückgeworfen wird. Die Reflektivität des Materials schwingt mit den Atomen mit. Anders ausgedrückt: Wer weiß, wie genau sich die Reflektivität während des Schwingens ändert, kann von den Lichtsignalen darauf zurückschließen, wo sich die Atome zu einem bestimmten Zeitpunkt aufhalten – und damit auf ihre Bewegung. Die Kasseler Physiker Garcia und Zijlstra haben eine Theorie entwickelt, mit der sich die Bewegung der Atome aus dem Reflexionsvermögen bestimmen lässt. Damit lieferten sie den fehlenden Baustein, um Atom-Bewegungen zweidimensional zu visualisieren und zu kontrollieren. „Wir haben auf diesem Weg feststellen können, wo sich die Atome aufhalten – und zwar alle Atome im Material, nicht weniger als 10 hoch 23“, betont Garcia. „Die Tür zur Lichtmanipulation von Atomen in Festkörpern steht jetzt offen.“

In Zusammenarbeit mit japanischen Kollegen unter der Leitung von Prof. Dr. Kenji Ohmori (Institute for Molecular Science, Okazaki), Prof. Dr. Katzutaka Nakamura (Tokyo Institute of Technology) und Prof. Dr. Masahiro Kitajima (Nara Institute of Science and Technology) ist es Garcia und Zijlstra gelungen, die zweidimensionale Bewegung der Atome im Element Bismut nach ultrakurzer Laserbestrahlung zu visualisieren und zu steuern. Mehr noch: Jetzt, da die Bewegungen berechenbar waren, konnten die japanischen Wissenschaftler die planaren Schwingungen der Bismut-Atome durch gezielte Umformung von Lichtimpulsen beliebig manipulieren und die Bewegung dabei, mit Hilfe der Theorie von Prof. Dr. Garcia und Dr. Zijlstra, visuell darstellen. Garcia verdeutlicht die Dimensionen durch einen Vergleich: „Nehmen wir an, jemand könnte es erreichen, dass alle Einwohner Hessens eine Stunde lang genau dieselbe Bewegung durchführen, zum Beispiel sich im Kreis zu drehen. In etwa das ist uns mit Atomen gelungen – nur, dass die Zahl der Einwohner Hessens verschwindend klein ist im Vergleich zur Anzahl der Atome in einem Material.“

Die Ergebnisse dieser Kasseler-japanischen Arbeit wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Warum die Haut unbeschadet Baden geht

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 06.02.2014

Physiker vollziehen anhand eines Computermodells nach, wie sich runzlige Haut wieder glättet

Runzlige Finger nach einem Bad: Wir alle kennen dieses Phänomen. Verbringen wir längere Zeit im Wasser, nimmt unsere Haut Feuchtigkeit auf, und die Zellen der äußeren Hautschicht schwellen an. In trockener Umgebung gibt die Haut das zusätzlich aufgenommene Wasser aber ohne bleibende Schäden wieder ab und ist schon kurze Zeit später wieder glatt. Wie dies möglich ist, konnten Wissenschaftler nun anhand eines physikalischen Modells nachvollziehen: Professor Roland Roth vom Institut für Theoretische Physik der Universität Tübingen und Physikerin Dr. Myfanwy Evans von der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) modellierten im Computer erstmals die Struktur der äußeren Hautschicht auf der mesoskopischen Skala. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Unsere Haut ist ein komplexes Organ mit einer Vielzahl unterschiedlicher Funktionen. Die äußere Hautschicht, die sogenannte Epidermis, besteht aus abgestorbenen Hautzellen, erfüllt aber zentrale Aufgaben: Beispielsweise schützt sie unseren Körper vor Wasserverlust in trockener Umgebung und bewahrt ihn umgekehrt auch beim Baden vor der Aufnahme von zu viel Wasser.

Die Wissenschaftler berechneten in ihrem Computermodell die Prozesse, die bei einer Wasseraufnahme in den einzelnen Komponenten der Haut ablaufen, und stellten ein interessantes Wechselspiel in den äußeren Hautzellen fest. Die äußere Hautschicht enthält Keratin-Fasern in einer geometrisch geordneten Struktur. Keratin ist hydrophil, fühlt sich also in wässriger Umgebung sehr wohl, was erklärt, warum Hautzellen Wasser aufnehmen. Schwellen die Zellen dabei an, werden die Keratin-Fasern gedehnt – dies kostet wiederum elastische Energie, wie bei einer Spiralfeder, die man in die Länge zieht.

Das Wechselspiel dieser Kräfte, die in entgegengesetzter Richtung wirken, bringt die Ausdehnung der Zellen zum Stillstand und sorgt dafür, dass die Haut nur eine begrenzte Menge Wasser aufnimmt. Die Ausdehnung stoppt, bevor sich die Keratin-Fasern berühren und permanent vernetzen können, was eine dauerhafte Änderung der mechanischen Eigenschaften der Zellen bewirken würde. Das führt dazu, dass unsere Haut das aufgenommene Wasser wieder abgibt und sich ohne bleibende Schäden glättet.

Die Studie könnte helfen, Hautkrankheiten besser zu verstehen und zu behandeln, und künstliche Materialien nach dem Vorbild der Haut zu schaffen.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de