Archiv der Kategorie: Hochschule

Die zwei Seiten eines Moleküls

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Presseinformation der LMU München vom 27.09.2013

LMU-Forscher um Christian Weber klären auf, welche Rolle das Molekül JAM-A bei der Einwanderung von Entzündungszellen im Rahmen der Entstehung von Gefäßverkalkungen spielt.

Bei der Atherosklerose bilden sich in den Arterien Ablagerungen an der Gefäßinnenwand. Das kann den Blutfluss behindern und schließlich ganz blockieren. Eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Atherosklerose spielen die Monozyten, eine Gruppe der weißen Blutzellen, die zum Immunsystem gehören und wichtig für die Abwehr von Krankheiten sind. Bei der Atherosklerose sammeln sie sich jedoch in der Gefäßwand. Dort produzieren sie Signalstoffe, die weitere Zellen an die Entzündungsstelle locken. So bilden sich atherosklerotische Ablagerungen, die die Gefäße verengen, was Herzinfarkte und Schlaganfälle auslösen kann.

Welche molekularen Prozesse die Einwanderung der Zellen in das entzündete Gewebe steuern, untersucht Professor Christian Weber vom Institut für Prophylaxe und Epidemiologie der Kreislaufkrankheiten an der LMU. In der Fachzeitschrift Circulation berichtet er nun über die Ergebnisse einer Untersuchung, die gemeinsam mit Kollegen von der Universität Maastricht durchgeführt wurde. Die Wissenschaftler haben analysiert, wie das Molekül JAM-A an der Entstehung von Atherosklerose beteiligt ist.

Wechselwirkungen berücksichtigen

Als ein Protein mit vielfältigen Bindungsstellen trägt JAM-A zur Organisation und Integrität von Zellkontakten bei und kann als molekularer Reissverschluss für Entzündungszellen dienen. In aktuellen Untersuchungen konnte das Team um Christian Weber zeigen, welche Auswirkungen es hat, wenn das Molekül in verschiedenen Zelltypen fehlt.

Die innerste Wandschicht der Gefäße ist mit einer Lage Endothelzellen ausgekleidet. Hier sorgt JAM-A für den Durchtritt von Entzündungszellen, insbesondere wenn es bei gestörten Flussverhältnissen oder erhöhten Blutfettspiegeln umverteilt wird. Fehlt das Molekül in den Endothelzellen, wandern weniger Monozyten ein. Dadurch können sich weniger Ablagerungen in den Gefäßen bilden.

Dennoch wäre es fatal, bei der Entwicklung von Therapeutika darauf zu setzen, JAM-A einfach zu blockieren. Denn fehlt das Molekül in Blutzellen, können sich Monozyten, die einmal gebunden haben, nicht mehr lösen. Dadurch kommt es zu einer lokalen Schädigung des Endothels und es bilden sich mehr Ablagerungen.

„Für die Entwicklung von Therapeutika ist es entscheidend, die verschiedenen Wechselwirkungen von JAM-A zu berücksichtigen“, sagt Christian Weber. Er forscht nun weiter an Bindungsstellen in der Domäne des Moleküls, die für die schädlichen Mechanismen verantwortlich sind. „Ein Therapeutikum, das nur dort angreift, könnte Gefäße effektiv schützen und Nebenwirkungen umgehen“, sagt Weber. (nh)

Publikation:
Circulation 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Die atomare Oberflächenstruktur beeinflusst die Richtung von Reibungskräften

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 24.09.2013

Neue Studie liegt vor

Die atomare Oberflächenstruktur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Richtung von Reibungskräften. Dies haben Wissenschaftler der Universität Regensburg durch ein besonderes Messverfahren nachweisen können. Die Ergebnisse der Forscher um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik sind jetzt, mit Unterstützung eines Teams um Dr. Pavel Jelinek von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag, in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1103/Physics.6.102).

Schätzungen zufolge wird ein Drittel der gesamten Energie, die auf der Welt verbraucht wird, zur Überwindung von Reibungswiderstand aufgewendet. Vor diesem Hintergrund ist die Erforschung des Phänomens der Reibung von großem Interesse. Dies gilt auch für ihre Richtungsabhängigkeit: Schon beim Streicheln einer Katze stellt man fest, dass die Reibung von der Richtung abhängt – mit dem Strich geht es einfacher als dagegen. Bei der Untersuchung der Richtungsabhängigkeit von Reibung im atomaren Bereich standen Forscher allerdings lange Zeit vor einem Problem. So mussten die Messungen in der Regel mehrmals wiederholt werden, um zu klären, ob die Beobachtungen das Resultat der zu untersuchenden Probe sind, und nicht der Messspitze, die die Probe untersucht.

Die Regensburger Forscher haben deshalb ein besonderes Messverfahren entwickelt. Dabei wird eine Siliziumoberfläche von einer Sonde abgetastet, die sich parallel zur Oberfläche bewegt. Für die mechanische Abtastung der Oberfläche nutzten die Forscher einen speziellen qPlus-Lateralkraftsensor, der auf der Stimmgabel einer Quarzuhr basiert und die Sondenspitze in Schwingungen versetzt. Die Sondenspitze kommt bei diesem Verfahren nicht mit der Oberfläche in Kontakt.

Die Siliziumatome auf der Oberfläche wurden zudem in Pärchen bzw. sogenannten Dimeren auf unterschiedlich hohen Ebenen angeordnet – ähnlich einem Schaukelpferd. Die „atomaren Schaukelpferdchen“ ließen sich leichter in Längs- als in Querrichtung auslenken, wie von den Regensburger Experimentalphysikern gezeigt und durch Berechnungen der Prager Forscher bestätigt wurde.

Auf diese Weise waren die Wissenschaftler in der Lage, Reibungskräfte in zwei verschiedene Richtungen (parallel und senkrecht zu den „atomaren Schaukelpferdchen“) direkt miteinander zu vergleichen, da sich die Ausrichtung der „atomaren Schaukelpferdchen“ um 90 Grad dreht, wenn die Messspitze auf eine jeweils höhere oder niedrigere Ebene wechselte. Die Forscher stellten so fest, dass die atomare Oberflächenstruktur maßgeblichen Einfluss auf die Richtung der Reibungskräfte hat. (Alexander Schlaak)

Originalpublikation:
A.J. Weymouth, D. Meuer, P. Mutombo, T. Wutscher, M. Ondracek, P. Jelinek and F.J. Giessibl: “Atomic Structure Affects the Directional Dependence of Friction”, in “Physical Review Letters” 111, 126103 (2013), (DOI: 10.1103/Physics.6.102).

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Wie Bakterien Transporter in ihre äussere Membran einbauen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 23.09.2013

Die äussere Hülle von Bakterien ist von unzähligen Proteinen durchsetzt. Sie bilden kleine Poren und ermöglichen so den Transport von Nährstoffen, Giften und Signalmolekülen. Wie diese Transportproteine in die Membran gelangen, zeigen nun erstmals Prof. Timm Maier und Prof. Sebastian Hiller vom Biozentrum der Universität Basel. Sie klärten mittels Röntgenstrukturanalyse die Struktur-Funktionsbeziehung des Proteins TamA auf, das eine zentrale Rolle bei der Integration von Transportproteinen in die Membran spielt. Die Ergebnisse erscheinen jetzt in der Fachzeitschrift «Nature Structural and Molecular Biology».

Für bestimmte (gramnegative) Bakterien ist es gar nicht so einfach, Proteine vom Inneren der Zelle nach aussen zu schleusen. Denn zusätzlich zur inneren Membran schützt sie eine äussere Hülle vor widrigen Bedingungen. Diese Barriere können die Bakterien überwinden, indem sie spezielle Transportproteine in die Schutzhülle einbauen. Wie das im Detail geschehen kann, konnten Maier und Hiller, Professoren für Strukturbiologie am Biozentrum der Universität Basel, nun gemeinsam aufklären.

Struktur von Faltungshelfer TamA erklärt seine Funktion

Eine Möglichkeit, Proteine zu befördern, bieten sogenannte Autotransporter. Dabei handelt es sich um Membranproteine, die eine Fassstruktur mit einer Pore bilden, durch die sich die Proteine hinausfädeln können. Für die Faltung und den Einbau von Autotransportern in die äussere Hülle wird jedoch die Hilfe eines weiteren Proteins benötigt. Mittels Röntgenkristallografie entschlüsselten die Autoren der Studie die atomare Struktur des Einbauprotein TamA aus dem Darmbakterium Escherichia coli.

«Das Protein TamA,» erklärt Fabian Gruss, Werner-Siemens-Stipendiat und Erstautor, «bildet ebenfalls ein Fass mit einer Pore. Die Pore ist mit einem Deckel nach aussen hin verschlossen, doch die Seitenwand ist einen Spalt weit geöffnet.» Wird der noch ungefaltete Autotransporter angeliefert, angelt sich TamA ein Ende der Aminosäurekette und integriert sie nach und nach durch den Spalt in der Seitenwand in seine eigene Fassstruktur. Dabei weitet sich das Fass, die Pore wird grösser und eine Öffnung nach aussen entsteht. Durch diese gelangt das Transportgut an die Bakterienoberfläche. Die Ablösung des Autotransporters von TamA beendet den Einbauprozess. «Der Autotransporter-Mechanismus war bis jetzt völlig unklar – mit der Struktur von TamA sehen wir zum ersten Mal, wie der Einbau funktionieren könnte.»

Einbauprozess bei Infektionen wichtig

Zahlreiche Krankheitserreger wie Durchfall verursachende Yersinien, Salmonellen oder der Cholera-Erreger gehören zur Gruppe der gramnegativen Bakterien. Sie setzen mit Hilfe von Autotransportern Gifte oder klebrige Proteine frei, mit denen sie ihre Wirtszellen infizieren. In ihrer Studie konnten Maier und Hiller nun ganz neue Erkenntnisse über den Einbau von Autotransporter-Membranproteinen sowie den Transport ihrer Fracht liefern.

Originalbeitrag:
Fabian Gruss, Franziska Zähringer, Roman P. Jakob, Björn M. Burmann, Sebastian Hiller, Timm Maier.
The structural basis of autotransporter translocation by TamA.
Nature Structural and Molecular Biology, Published online: 22 September 2013 | doi:10.1038/nsmb.2689

Externer Link: www.unibas.ch

Nylon als Katalysatorträger

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Pressemitteilung der Universität Duisburg-Essen vom 17.09.2013

Textilforscher veröffentlichen in Science

Plastiktüten, Düngemittel oder Schmerztabletten: Schätzungsweise 80 Prozent aller chemisch erzeugten Produkte entstehen mithilfe von Katalysatoren. Wissenschaftler des Deutschen Textilforschungszentrums Nord-West (DTNW), einem An-Institut der Universität Duisburg-Essen (UDE), und des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim haben nun erstmals eine Methode zur Wiederverwendung organischer Katalysatoren entwickelt und die Ergebnisse in Science veröffentlicht. Nylon spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Je nach vermittelter Reaktion weisen Katalysatoren unterschiedliche Zusammensetzungen und Formen auf: Vom komplizierten Eiweißmolekül im Körper, dem Enzym, über das robuste Bauteil auf Edelmetall-Basis im Auto bis hin zu pulverförmigen oder flüssigen Substanzen, die zu laufenden Prozessen hinzugefügt werden. In der sogenannten „homogenen Katalyse“, die beispielsweise in der Pharmaindustrie häufig genutzt wird, liegen sowohl die Katalysatorsubstanzen als auch die Ausgangsstoffe in der gleichen Form vor, z.B. beide gelöst in einer Flüssigkeit. Nun wird ein Katalysator während der Reaktion, die er vermittelt, nicht aufgebraucht. Das Resultat ist daher in diesem Fall immer eine Mischung aus dem gewünschten Produkt und den Katalysatorsubstanzen. Letztere müssen deshalb immer wieder aufwendig separiert werden oder bleiben – wenn sie günstig sind und sich nicht nachteilig auswirken – im Produkt.

Prof. Dr. Jochen Gutmann bringt durch seine Arbeit am DTNW und am Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) die ideale Erfahrungskombination mit, um eine praktischere Alternative zu entwickeln: Zusammen mit Prof. Dr. Benjamin List vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI KoFo) in Mülheim an der Ruhr verwendet er Nylon, wie es auch für Feinstrumpfhosen genutzt wird, als Trägermaterial für organische Katalysatoren in Molekülform. Dazu bestrahlen die Wissenschaftler Textil und Moleküle mit UV-Licht. Dadurch öffnen sich Bindungen an der Nylonoberfläche, an die sich die kleinen Katalysatoren fest andocken. Diese neuen Bindungen sind extrem stark, Chemiker sprechen von „kovalenten Bindungen“. So ergibt sich eine Oberfläche, die mit einer etwa 5 bis 10 Nanometer dicken Schicht aktiver Moleküle besetzt ist. „Nicht gebundene Katalysatoren können wir einfach wieder abwaschen und beim nächsten Mal wiederverwenden“, erklärt Gutmann. Das Projekt „Organokatalyse“ wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. gefördert.

Das textile System hat zwei entscheidende Vorteile: Erstens lassen sich die Katalysatoren ganz einfach am Nylon aus dem Produkt herausziehen und sofort wiederverwenden – ohne vorherige Reinigungsprozedur. Zweitens bleiben keine Rückstände der Katalysatoren im Produkt zurück. Das kann gerade in der Pharmaindustrie, wo es mitunter auf hochreine Wirkstoffe ankommt, enorm wichtig sein. Auf die katalytische Aktivität hat die Fixierung übrigens keinen Einfluss – weder generell noch nach einiger Zeit: „Auch nach 250 Katalyse-Zyklen haben wir keine nennenswerten Veränderungen in der durchweg hohen Leistung feststellen können“, berichtet Gutmann. Sogar die Katalysatormenge auf dem Textil ist ganz einfach einzustellen: Je dünner die Nylonfasern, desto größer die Oberfläche, die für Bindungen zur Verfügung steht.

Nur wenig mehr als ein Jahr haben die Wissenschaftler für diese Entwicklung gebraucht – quasi ein Wimpernschlag in der Forschung. Und das nächste gemeinsame Ziel steht für Gutmann auch schon fest: „Zusammen mit den Kollegen vom MPI wollen wir auch andere Arten von Katalysatoren auf Textilien fixieren.“ (Birte Vierjahn)

Externer Link: www.uni-due.de

Zukunftsmaterial Graphen wird Computerchip-kompatibel

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Presseaussendung der TU Wien vom 16.09.2013

An der TU Wien wird erforscht, welche technologischen Möglichkeiten Graphen bietet. Nun gelang es, Graphen-Lichtdetektoren mit gewöhnlichen Halbleiterchips zu kombinieren.

Information wird heute meist in Form von Licht übertragen – etwa in Glasfaserkabeln. Unsere Computerchips allerdings arbeiten elektronisch. Irgendwo zwischen optischem Daten-Highway und elektronischem Computerchip müssen also mit Hilfe von Licht-Detektoren Photonen in Elektronen konvertiert werden. An der TU Wien ist es nun gelungen, einen Graphen-Photodetektor direkt mit einem herkömmlichen Silizium-Chip zu kombinieren. Damit lässt sich Licht aus allen wichtigen Telekommunikations-Frequenzen in elektrische Signale umwandeln. Die Forschungsergebnisse werden nun im Fachjournal „Nature Photonics“ präsentiert.

Computer-Power aus Kohlenstoff?

Sowohl Forschung als auch die Industrie setzen große Hoffnungen in Graphen. Das Material, das aus einer einzelnen Schicht von sechseckig angeordneten Kohlenstoff-Atomen besteht, hat ganz besondere Eigenschaften. Schon vor zwei Jahren erkannte das Team rund um Thomas Müller am Institut für Photonik der TU Wien, dass sich Graphen bestens eignet, um aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen. „Es gibt viele Materialien, die Licht in elektrische Signale umwandeln können. Graphen erlaubt aber eine ganz besonders schnelle Konversion“, erklärt Thomas Müller. Will man also große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen, wird man in Zukunft wohl auf Graphen zurückgreifen.

Vom Beweis, dass sich das Material grundsätzlich dafür eignet bis zur Verwendung im Chip war es ein weiter Weg – doch nun ist es tatsächlich gelungen, einen Graphen-Photodetektor in einen Chip einzubauen. Neben dem Team der TU Wien war auch die Johannes Kepler Universität Linz an dem Projekt beteiligt.

„Ein dünner Lichtwellenleiter mit einem Querschnitt von etwa 200 mal 500 Nanometern leitet das optische Signal auf dem Silizium-Chip zu einer Graphen-Schicht. Diese wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um, das dann direkt im Chip weiterverarbeitet werden kann“, erklärt Thomas Müller.

Vielseitig und kompakt

Es gab bereits Versuche, Photodetektoren aus anderen Materialien – etwa Germanium – direkt in Chips zu integrieren. Allerdings können diese Materialien nur Licht eines engen Wellenlängenbereiches verarbeiten. Wie das Forschungsteam zeigen konnte, kommt Graphen mit allen Licht-Wellenlängen, die heute in der Datenübertragung verwendet werden, gleichermaßen zurecht.

Der Graphen-Photodetektor ist nicht nur extrem schnell, er kann auch extrem kompakt gebaut werden. Auf einem Chip von einem Quadratzentimeter lassen sich 20.000 solcher Detektoren unterbringen – damit könnte man den Chip theoretisch über 20.000 verschiedene Informationskanäle mit Daten versorgen.

Mehr Geschwindigkeit, weniger Stromverbrauch

„Wichtig sind solche Technologien nicht nur für die Übermittlung von Daten über weite Strecken. Auch innerhalb von Computern gewinnt optische Datenübertragung an Bedeutung“, erklärt Thomas Müller. Wenn Großrechner mit vielen Prozessorkernen gleichzeitig arbeiten, muss viel Information zwischen diesen Kernen ausgetauscht werden. Wenn man mit Graphen ultraschnell zwischen elektrischem Strom und Licht wechseln kann, dann lassen sich diese Daten optisch übertagen. Das bringt mehr Geschwindigkeit und senkt den Energiebedarf. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at