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Gemeinsam stärker in der Quantenwelt

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Presseinformation der LMU München vom 15.10.2013

LMU-Wissenschaftler haben einen bisher unbekannten Effekt entdeckt, der einen Störfaktor bei der Nutzung von Quanteneffekten ausbremsen kann – dies könnte besonders die Quanteninformationsverarbeitung entscheidend voranbringen.

Wie die Welt und das Universum im Großen funktionieren, wird durch die Gesetze der klassischen Physik beschrieben. Dabei sind der Zustand eines Systems und damit dessen Zukunft eindeutig durch die Orte und Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen bestimmt. Auf mikroskopischer Ebene, wo sich die Dynamik auf sehr kleinen Energieskalen abspielt – etwa wenn man Atome oder die Elektronen in einem Festkörper betrachtet – öffnen sich neue Dimensionen: Hier kommen die Gesetze der Quantenphysik zum Tragen. Das bedeutet, dass sich verschiedene klassische Zustände überlagern und Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens nur mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden können.

„Damit steht dem System eine viel größere Menge von möglichen Zuständen zur Verfügung. Es ist wesentlich komplexer und schwieriger zu beschreiben, bietet aber auch mehr Möglichkeiten für technische Anwendungen“, sagt der LMU-Physiker Dr. Thomas Barthel. Eine mögliche Anwendung, in die viele Hoffnungen gesetzt werden, sind etwa Quantencomputer: Die Miniaturisierung unserer normalen Computer stößt an ihre Grenzen, weil die Leiterbahnen so eng und klein werden, dass Quanteneffekte relevant werden. Mit Quantencomputern versucht man einen Paradigmenwechsel einzuleiten, bei dem Quanteneffekte nicht mehr limitierende Störungen darstellen, sondern gezielt ausgenutzt werden, um bisher unerreichte Rechnerleistungen zu erzielen.

Allerdings gibt es bei der Nutzung von Quanteneffekten eine Schwierigkeit: Wenn ein quantenmechanisches System nicht komplett abgeschirmt ist, sondern in Wechselwirkung mit seiner Umwelt tritt, werden seine quantenmechanischen Eigenschaften zerstört. In dem Moment, in dem im Labor ein Quantensystem – etwa ein Atom – gemessen wird, entscheidet sich das System für einen Zustand, sodass die Überlagerung irreversibel verschwindet. Bei einer Kopplung des Quantensystems an seine Umgebung passiert dies ganz ähnlich. Die Umwelt macht eine Art Messung und lässt die Quanteninformation zerfallen. „Dann folgt unser System den Gesetzen der normalen – langweiligen – klassischen Mechanik“, sagt Barthel.

Vielfalt verschwindet in Vielteilchensystemen langsamer

Dieses Phänomen wird Dekohärenz genannt und ist der Feind jedes Experimentators, der die quantenmechanischen Eigenschaften eines Systems untersuchen oder für technische Zwecke ausnutzen möchte. Typischerweise erfolgt der Zerfall der quantenmechanischen Eigenschaften exponentiell mit der Zeit. In ihrer neuen Studie haben Barthel und sein Kollege Dr. Zi Cai nun untersucht, was passiert, wenn nicht die typischen einfachen Quantensysteme (z.B. ein einzelnes Elektron oder Ion) untersucht werden, sondern sogenannte Vielteilchensysteme mit sehr großer Teilchenzahl. Dazu gehören etwa Elektronen in einem Festkörper. „Dabei haben wir entdeckt, dass sich das Zerfallsgesetz der Quanteninformation qualitativ ändern kann“, erklärt Barthel: Besteht das Quantensystem aus sehr vielen Teilchen, die untereinander wechselwirken, kann die Zerfallszeit gegen unendlich gehen. In diesem Fall folgt der Zerfall einem Potenzgesetz – und ist damit sehr viel langsamer als in einfachen Systemen. Indem die Teilchen zusammenarbeiten, können sie also den zerstörerischen Einfluss der Umwelt minimieren.

Damit haben die Wissenschaftler einen bisher unbekannten fundamentalen Effekt entdeckt, der für zukünftige Experimente und technische Anwendungen von großer Bedeutung ist. „Mit unserer Studie liefern wir allgemein das Handwerkszeug, um die Dekohärenz in Quantenvielteilchensystemen tunen zu können – dies ist insbesondere für das Feld der Quanteninformationsverarbeitung ein wichtiger Fortschritt“, betont Barthel. Unter anderem könnte man den neu entdeckten Effekt bei der Realisierung von Quantencomputern und bei der Simulation von Quantensystemen mithilfe anderer gut kontrollierbarer Quantensysteme ausnutzen. (göd)

Publikation:
Physical Review Letters 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Dürrekatastrophen verstehen – durch eine Handy-App

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Presseaussendung der TU Wien vom 03.10.2013

Die TU Wien arbeitet mit Satellitendaten, um Dürrekatastrophen besser zu verstehen. Eine Handy-App soll nun helfen, weitaus mehr Daten zu sammeln und langfristige Prognosen zu entwickeln.

Regenwolken sind weltweit problemlos aufzuspüren – man muss nur einen Blick auf Satellitenbilder werfen. Doch ob eine Hungersnot droht, wenn der Regen mal ausbleibt, ist sehr schwer vorherzusagen. Dürrekatastrophen hängen nämlich nicht nur vom Niederschlag, sondern auch von vielen weiteren Parametern ab. In Zusammenarbeit mit Hilfsorganisationen entwickelt die TU Wien nun eine Handy-App, mit der direkt in gefährdeten Gebieten wichtige Daten gesammelt werden sollen. Informationen über Niederschlag, Temperatur, Vegetation und Bodenfeuchte werden mit sozialen und ökonomischen Beobachtungen verknüpft. Dadurch will man Dürre- und Hungerkatastrophen besser verstehen lernen um in Zukunft rechtzeitig vorwarnen zu können.

Trockenheit bedeutet noch lange keine Hungersnot

Die Forschungsgruppe für Fernerkundung (Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien) arbeitet seit Jahren an Bodenfeuchte-Messungen. Aus den Daten von Satelliten, die mit Mikrowellen die Erdoberfläche abtasten, kann berechnet werden, wie feucht die Böden in unterschiedlichen Regionen sind.

Markus Enenkel beschäftigt sich mit dürregefährdeten Gebieten, insbesondere in Ostafrika. „Nicht jedes Niederschlags-Defizit führt zu Problemen“, erklärt er. „Die Frage ist: Wann und wie wirkt sich Trockenheit auf die Vegetation aus und welche Bedeutung hat das für die Nahrungsversorgung?“ Um diese Zusammenhänge erklären zu können ist die Bodenfeuchte ein entscheidender Parameter.

Doch nicht alle Daten können aus der Ferne mit Hilfe von Satelliten erhoben werden, viele entscheidende Fakten muss man direkt vor Ort untersuchen. Dazu gehören auch sozioökonomische Fragen: Wie sieht es in einer bestimmten Region mit künstlicher Bewässerung aus? Gibt es Zugang zu natürlichen Wasserquellen? Verbreiten sich bereits Krankheiten, die typischerweise mit Hungersnöten einhergehen? Sind Flüchtlingsströme zu beobachten? All das entscheidet letztlich darüber, wie dramatisch die Auswirkungen einer Dürre sein werden.

Daten sammeln über Handy-App

Das TU-Forschungsteam setzte sich schon ganz am Anfang des Projekts mit „Ärzte ohne Grenzen“ an einen Tisch, um besser zu verstehen, wo die Bedürfnisse von Hilfsorganisationen liegen. Ziel ist die Entwicklung einer Handy-App für MitarbeiterInnen von NGOs, die in dürregefährdeten Gebieten unterwegs sind. „So bekommen Helfer vor Ort Zugang zu relevanten Satellitendaten – in unserem Fall zu einem Dürre-Index. Wenn man sich die Situation vor Ort angesehen hat, gibt man die erhobenen Daten in die App ein. Sie werden dann an uns weitergeleitet und mit den Satellitendaten verknüpft“, erklärt Enenkel. Daraus erhält man ein umfassendes Bild der Lage, das letztendlich wiederum Hilfsorganisationen zur Verfügung gestellt werden soll.

Hoffnung auf Katastrophen-Prognose

Vielleicht gelingt es ja eines Tages, ähnlich gut vor Dürre und Hunger zu warnen, wie das heute bei Hochwasser oder auch bei der Ausbreitung ansteckender Krankheiten möglich ist. „Eine Prognose, die 1-2 Monate in die Zukunft blickt, ist realistisch“, meint Markus Enenkel. Das würde Hilfsorganisationen mehr Zeit geben, um Gegenmaßnahmen zu starten.

Mit der Handy-App gewann Markus Enenkel die Space App Challenge der FFG, des BMVIT und des Space Generation Advisory Council. Beim Space Generation Congress in Peking, China, präsentierte er die Idee vor einem internationalen Publikum. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Chemie mit sortierten Molekülen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 04.10.2013

Die vollständige Kontrolle chemischer Reaktionen ist ein grosses Ziel in der Chemie. Forschern der Universität Basel und des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science ist es nun erstmals gelungen, einzelne Formen eines Moleküls mit elektrischen Feldern auszusortieren und gezielt zur Reaktion zu bringen. Durch Analyse der Reaktionsgeschwindigkeiten konnte ein Zusammenhang zwischen der räumlichen Struktur der aussortierten Moleküle und ihrer chemischen Reaktivität hergestellt werden. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Science» veröffentlicht.

Die Reaktivität einer chemischen Verbindung, also ihre Fähigkeit in einer Reaktion umgesetzt zu werden, wird massgeblich durch die Form ihrer Moleküle bestimmt. Komplexe Moleküle liegen oft in unterschiedlichen Formen vor, sogenannten Konformeren, bei denen die Bausteine des Moleküls räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Konformere wandeln sich jedoch oft leicht ineinander um, sodass sich eine detaillierte Untersuchung dieser Effekte bislang als sehr schwierig gestaltete.

Die Wissenschaftler um Prof. Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel und Prof. Jochen Küpper vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL, DESY) haben einen neuen Versuchsaufbau entwickelt, mit dem sich die Reaktivität einzelner Konformere präzise untersuchen lässt. Die Forscher erzeugten einen Strahl von Molekülen, aus dem sich in einer «molekularen Sortiermaschine» gezielt einzelne Konformere aus einer Mischung herauspicken und in eine chemische Reaktion einspeisen lassen.

Dabei machten sich die Forscher zunutze, dass durch eine Änderung der Form eines Moleküls in der Regel auch sein Dipolmoment modifiziert wird. Das Dipolmoment beschreibt, wie ein Molekül auf ein elektrisches Feld reagiert. Innerhalb der Sortiermaschine liegt nun ein ungleichmässiges elektrisches Feld vor, in dem die einzelnen Konformere unterschiedlich stark abgelenkt und somit räumlich getrennt werden.

In einem ersten Experiment trennten die Forscher zwei Konformere von 3-Aminophenol, einer gut bekannten Verbindung, die industriell breite Anwendung findet. Die beiden Konformere unterscheiden sich lediglich in der räumlichen Anordnung eines einzelnen Wasserstoffatoms. Die getrennten Konformeren wurden dann in eine Reaktionskammer gelenkt, wo sie mit elektrisch geladenen Kalziumatomen, sogenannten Ionen, in einer Falle reagierten. Die Ionen wurden dabei durch Laserlicht fast auf den absoluten Temperatur-Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abgekühlt. Dadurch lokalisierten sie sich im Raum und bildeten ein ideales Zielobjekt für Reaktionen mit den getrennten Konformeren. So konnten die Forscher zeigen, dass das eine Konformer doppelt so schnell mit den Kalziumionen reagiert wie das andere, was mit den unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der beiden Molekülformen erklärt werden konnte.

Auf diese Weise erlaubt die neue Methode, Einsichten in fundamentale Reaktionsmechanismen und die Zusammenhänge zwischen Molekülkonformation und chemischer Reaktivität, mit weitreichenden Anwendungen in der chemischen Katalyse und der Synthese neuer Moleküle.

Originalbeitrag:
Yuan-Pin Chang, Karol Długołecki, Jochen Küpper, Daniel Rösch, Dieter Wild, Stefan Willitsch
Specific Chemical Reactivities of Spatially Separated 3-Aminophenol Conformers with Cold Ca+ Ions
Science (2013) | doi: 10.1126/science.1242271

Externer Link: www.unibas.ch

Nanofeine Spitze schreibt künstliche Zellmembranen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.10.2013

Biomimetische Membranen auf Graphen ermöglichen neue Anwendungen in der Biotechnologie – Publikation in „Nature Communications“

Ein neues Verfahren, um künstliche Membranen herzustellen, haben Forscher um Dr. Michael Hirtz vom KIT entwickelt: Mit einer nanometerfeinen Spitze schreiben sie maßgeschneiderte Phospholipid-Membranstücke auf ein Substrat aus Graphen. Die so gefertigten biomimetischen, also biologische Strukturen nachahmenden, Membranen ermöglichen, Funktionen von Zellmembranen gezielt zu untersuchen und neue Anwendungen in Medizin und Biotechnologie zu entwickeln, beispielsweise Biosensoren. In der Online-Publikation „Nature Communications“ stellen die Forscher das Verfahren vor.

Lipide (von gr. lipos, „Fett“) sind zentrale Strukturbausteine von Zellmembranen. Der Körper des Menschen enthält rund 100 Billionen Zellen. Jede von ihnen ist von einer Membran umhüllt, die im Wesentlichen aus einer Doppellage von teils wasserliebenden, teils wasserabstoßenden phosphorhaltigen Lipiden besteht. Diese Zellmembranen beinhalten zahlreiche Proteine, Ionenkanäle und andere Biomoleküle, die jeweils lebenswichtige Aufgaben erfüllen. Daher ist die Erforschung der Zellmembranen essenziell für viele Bereiche der Medizin und der Biotechnologie. Ein besseres Verständnis ihrer Funktionen ermöglicht neue Anwendungen beispielsweise in Sensoren mit biologischen Komponenten, beim Einsatz von Enzymen als Katalysatoren oder zum gezielten Einbringen von Arzneimittelwirkstoffen. Allerdings ist es äußerst schwierig, die Membranen direkt an Zellen im menschlichen Körper zu untersuchen.

Forscher verwenden daher häufig Modellmembranen, die auf spezielle Oberflächen aufgebracht werden. Diese biomimetischen, das heißt biologische Strukturen nachahmenden Systeme ermöglichen einen einfachen und besser kontrollierbaren Zugriff. Eine internationale Gruppe von Forschern um Dr. Michael Hirtz, Projektleiter in der Abteilung von Professor Harald Fuchs am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT, sowie Dr. Aravind Vijayaraghavan von der Universität Manchester, Großbritannien, stellen nun ein neues Verfahren zur Herstellung von biomimetischen Membranen vor: Sie schreiben maßgeschneiderte Phospholipid-Membranstücke mithilfe der bereits früher am KIT entwickelten Lipid Dip-Pen Nanolithography (L-DPN) auf ein Substrat aus Graphen.

„Die L-DPN Technik benutzt eine feine Spitze, um Lipidmembranen auf Oberflächen zu schreiben – ähnlich einem Federkiel, der Tinte auf Papier bringt“, erklärt Dr. Michael Hirtz vom INT des KIT. Allerdings misst die Spitze nur wenige Nanometer und wird mit hoher Präzision maschinell kontrolliert. Dies erlaubt es, winzig kleine Strukturen zu erzeugen – kleiner als Zellen und hinunter bis auf die Nanoskala (ein Nanometer entspricht 10^-9 Metern). Durch den Einsatz von parallel angeordneten Spitzen lassen sich verschiedene Lipid-Mischungen gleichzeitig schreiben, was Strukturen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung in einer Größe ermöglicht, die geringer als die einer einzelnen Zelle ist.

Das als Substrat eingesetzte Graphen ist ein Halbmetall mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften. Wie Dr. Aravin Vijayaraghavan von der Universität Manchester erklärt, verteilen sich die aufgebrachten Lipide auf dem Graphen ganz gleichmäßig, wodurch sich ausgezeichnete Membranen ergeben. Weitere Vorteile von Graphen sind seine einstellbare Leitfähigkeit und seine Eigenschaft, die Fluoreszenz markierter Phospholipide zu unterdrücken. Wenn die Lipide entsprechende Bindungsstellen aufweisen, beispielsweise Biotin, binden die Membranen Streptavidin, ein von bestimmten Bakterien produziertes Protein, das in verschiedenen biotechnologischen Verfahren eingesetzt wird. Sind die Lipide elektrisch geladen, findet ein Ladungstransfer von den Lipiden zum Graphen statt. Dadurch ändert sich dessen Leitfähigkeit. Diese Änderung der Leitfähigkeit lässt sich in Biosensoren als Signal der Detektion nutzen.

Die Forscher um Hirtz werden ihre biomimetischen Membranen künftig dazu nutzen, auf Graphen und Lipiden basierte neuartige Biosensoren zu bauen. Geplant sind Sensoren, die über die Änderung der Leitfähigkeit auf die Anbindung von Proteinen reagieren, sowie Sensoren, welche die Funktion von Ionenkanälen in den Membranen detektieren. Bei Ionenkanälen handelt es sich um porenbildende Proteine, die elektrisch geladenen Teilchen das Durchqueren der Membran ermöglichen. „Proteinsensoren könnten in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Die Funktion von Ionenkanälen zu überwachen, ist wichtig für die Arzneimittelforschung“, berichtet der KIT-Wissenschaftler. (or)

Publikation:
M. Hirtz, A. Oikonomou, T. Georgiou, H. Fuchs & A. Vijayaraghavan: Multiplexed biomimetic lipid membranes on graphene by dip-pen nanolithography. Nature Communications, 10. Oct 2013 | DOI: 10.1038/ncomms3591.

Externer Link: www.kit.edu

Lichtblick für Diabetes-Forschung: Grazer Wissenschafter entwickelten Molekül, das unerwünschten Fettabbau hemmt

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Pressemitteilung der TU Graz vom 07.10.2013

Ein starkes Signal der international renommierten Lipidforschung in Graz: In Zusammenarbeit haben Wissenschafter der TU Graz, Karl-Franzens-Universität und Medizinischen Universität Graz ein Molekül entwickelt, das das fettabbauende Enzym ATGL hemmt. Ein wichtiger Fortschritt besonders im Hinblick auf die mögliche Prävention und Therapie von Diabetes Typ 2, aber auch für Krebspatienten, die unter krankhafter Abmagerung, der sogenannten Kachexie, leiden. In der aktuellen Ausgabe des angesehenen Fachjournals „Nature Chemical Biology“ präsentieren die Grazer Forscher das in aufwändiger Detailarbeit entwickelte Molekül namens „Atglistatin“ erstmals der wissenschaftlichen Öffentlichkeit. Die Publikation ist ein weiteres Beispiel für die erfolgreiche Kooperation der drei Grazer Universitäten im Rahmen der Forschungsinitiative „BioTechMed-Graz“.

Fettabbau ist nicht immer wünschenswert: So schützt die Speicherung von Fett im Fettgewebe den Körper vor hohen Blutfetten und Fettablagerungen in anderen Organen. Wenn sich durch einen gesteigerten Fettabbau im Körper zu viele freie Fettsäuren im Blut befinden, dann führt das häufig zu einer Insulinresistenz und in der Folge zu Diabetes Typ 2 – auch Altersdiabetes genannt. Gefährlich ist zu starker Fettabbau auch im Zusammenhang mit einer Krebserkrankung, da eine krankhafte Abmagerung, auch Kachexie genannt, die Überlebenschancen verringert. Seit der Entdeckung des für den Fettabbau verantwortlichen Enzyms ATGL durch Forscher der Karl-Franzens-Universität und der TU Graz im Jahr 2004 haben nähere Untersuchungen gezeigt: Eine genetische Hemmung von ATGL senkt Fettsäuren und Triglyzeride im Blut und fördert den Abbau von Glukose. Diese Hemmung schützt daher vor Diabetes Typ 2 und auch vor unerwünschtem Fettabbau bei Tumor-induzierter Kachexie.

Der lange Weg zu „Atglistatin“

Basierend auf diesen Erkenntnissen hat ein Team rund um Robert Zimmermann von der Karl-Franzens-Universität Graz und Rolf Breinbauer von der TU Graz in jahrelanger Detailarbeit erstmals ein molekulares Werkzeug entwickelt, das ATGL und damit den Fettabbau gezielt hemmt. Sein Name: Atglistatin. „Ein solches Molekül könnte in Zukunft sowohl die Erkrankung an Diabetes Typ 2, als auch die krankhafte Abmagerung von Krebspatienten verhindern“, erklären Zimmermann und Breinbauer. „Das ist insofern interessant, da Diabetes zu den großen Volkskrankheiten gehört, mit steigender Tendenz. Auch für Kachexie gibt es derzeit keine zufriedenstellende Behandlung“.

Die Entwicklung von „Atglistatin“ war sowohl für die Synthesechemiker vom Institut für Organische Chemie der TU Graz als auch für die Biowissenschafter der Karl-Franzens-Universität herausfordernd: Von ATGL gibt es keine dreidimensionale Proteinstruktur, die man für moderne computerunterstützte Modellierungs-Ansätze nützen könnte. „Uns ist nichts anderes übriggeblieben als der klassische Ansatz im ‚trial&error‘-Prinzip“, schildert Rolf Breinbauer. Konkret hieß das für die Forscher der TU Graz: Moleküle synthetisieren, diese von den Kollegen der Karl-Franzens-Universität auf ihre Wirksamkeit testen lassen und aus den gewonnenen Daten neue Moleküle entwickeln. „Der Prozess ist vergleichbar mit der Orientierung im stockfinsteren Raum: Hindernisse und Sackgassen sind selbstverständlich, aber je mehr man sich bewegt, desto mehr Gespür bekommt man für die richtige Richtung“, erklärt Breinbauer. Das „Vorantasten“ der Grazer Forscher dauerte über vier Jahre und brauchte mehr als 300 entwickelte Moleküle, bis schließlich eines die gewünschten ATGL-hemmenden Eigenschaften besaß. Im Fachjournal „Nature Chemical Biology“ publizieren die Wissenschafter nun erstmals über Atglistatin.

Die aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten sind in diverse vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekte und dem Doktoratskolleg „Molekulare Enzymologie“ eingebettet (Translational Program, Wittgenstein Award, GOLD, PLACEBO). Gleichzeitig belegen sie eindrucksvoll die erfolgreiche Kooperation von TU Graz, Karl-Franzens-Universität und Medizinischer Universität Graz im Rahmen des Kooperationsprojekts NAWI Graz und der Forschungsinitiative „BioTechMed-Graz“.

Originalpublikation:
Mayer, N., Schweiger, M., Romauch, M., Grabner, G., Eichmann, T., Fuchs, E., Ivkovic, J., Heier, C., Mrak, I., Lass, A., Höfler, G., Fledelius, C., Zechner, R., Zimmermann, R. & Breinbauer, R.: Development of small-molecule inhibitors targeting adipose triglyceride lipase. Nature Chemical Biology, 2013. doi:10.1038/nchembio.1359

Externer Link: www.tugraz.at