Archiv der Kategorie: Hochschule

Den Feind erkennen

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Presseinformation der LMU München vom 13.08.2013

Immunologen an der LMU haben eine neue Technologie entwickelt, die ebenso bei der Bekämpfung von Tumoren wie bei der Heilung von Autoimmunkrankheiten eingesetzt werden kann. Dafür werden sie nun vom Bundesbildungsministerium gefördert.

Das Immunsystem verteidigt den Körper gegen Infektionen und Tumore. Dabei spielen T-Zellen eine wichtige Rolle. Sie haben Rezeptoren, die körperfremde Antigene anhand ihrer Strukturen erkennen. Die allermeisten dieser Antigene sind noch unbekannt. Eine besonders wichtige Gruppe von T-Zellen sind die zytotoxischen T-Zellen. Sie erkennen körpereigene Zellen, die zum Beispiel von Viren oder anderen Erregern infiziert sind, und töten daraufhin die infizierten Zellen. Eine ähnliche Funktion haben sie bei der Bekämpfung von Tumoren: Sie erkennen krankhaft veränderte Zellen und töten diese. Bei Autoimmunkrankheiten hingegen greifen sie fälschlicherweise eigenes Gewebe an und zerstören es. Beispiele dafür sind multiple Sklerose und Psoriasis („Schuppenflechte“).

Ein Team um Privatdozent Dr. Klaus Dornmair vom Institut für Klinische Neuroimmunologie (Direktor Professor Reinhard Hohlfeld) hat in Kollaboration mit Professor Jörg Prinz von der Dermatologischen Klinik der LMU eine neue Technologie entwickelt, die es erstmals erlaubt, die Antigene zytotoxischer T-Zellen zuverlässig zu identifizieren.

Dafür werden sie nun vom Bundesbildungsministerium im Rahmen des VIP-Programms (VIP steht für „Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung“) gefördert. In den nächsten drei Jahren erhalten die Wissenschaftler finanzielle Mittel in Millionenhöhe, um die Technologie so weiterzuentwickeln, dass sie die Grundlage für eine breite kommerzielle Nutzung sein kann. Dabei werden sie von dem Beratungsunternehmen VDI/VDE-IT als Projektträger betreut. Wegen des großen Potenzials wurde die Technologie bereits zum Patent angemeldet.

Bessere Diagnostik, neue Therapien

„Wir können mit der neuen Technologie mehrere Millionen Antigene in wenigen Stunden analysieren. Wir erwarten, damit die Diagnostik zu erleichtern und langfristig gezielte Therapien zu ermöglichen“, sagt der Projektleiter Klaus Dornmair. „Sie kann die Grundlage für eine Reihe von Innovationen sein, da zytotoxische T-Zellen eine herausragende Rolle bei vielen Erkrankungen spielen.“ Die Technologie hat ein sehr breites Anwendungsspektrum: Sie kann bei Virus- und Tumorerkrankungen eingesetzt werden und auch bei Autoimmunkrankheiten. Deshalb erwarten die Wissenschaftler eine hohe Nachfrage und wollen ihre Technologie auch als Auftragsforschung anbieten.

Die Wissenschaftler verbinden zwei neue Methoden, Antigene von T-Zellen und den antigenspezifischen Rezeptor von T-Zellen zu identifizieren. Dabei werden die antigenspezifischen Rezeptoren aus dem Gewebe von Patienten entnommen und in Zelllinien eingeschleust, die sich im Labor gut vermehren lassen. Zudem wird in diese Zellen das Gen für das grün-fluoreszierende Protein eingeschleust. Diese Zellen werden nun mit Millionen von Proteinen in Verbindung gebracht. Sobald ihr Rezeptor ein Protein erkennt, leuchten die Zellen grün auf. Über das Protein, das die Reaktion auslöste, kann das natürliche Antigen identifiziert werden. (nh)

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Eine untrügliche Quantenmessung

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 05.08.2013

Für Quantenphysiker gehört die Verschränkung mittlerweile zum täglichen Handwerkszeug. Für den Bau von zukünftigen Quantencomputern bildet sie die wesentliche Grundlage. Nun haben Innsbrucker Forscher gemeinsam mit Schweizer Kollegen in der Fachzeitschrift Nature Physics eine neue, sehr verlässliche Methode zum Nachweis von Verschränkung veröffentlicht.

Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantenkryptografie sind ohne Verschränkung nicht denkbar. Für viele zukünftige Quantentechnologien bildet diese, für unser Alltagsverständnis seltsam erscheinende Eigenschaft von Quantensystemen die wesentliche Grundlage. Experimentalphysiker stehen daher heute in ihren Labors sehr häufig vor der Aufgabe, die Verschränkung in Quantensystemen eindeutig nachzuweisen. „Wir haben vor zwei Jahren erstmals 14 Ionen kontrolliert miteinander verschränkt“, erzählt Thomas Monz aus der Arbeitsgruppe von Rainer Blatt am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Das Team hält bis heute den Weltrekord für die größte je im Labor miteinander verschränkte Anzahl von Teilchen. „Für den Nachweis von Verschränkung mussten wir bisher einige, experimentell kalibrierte Annahmen machen. Aber Annahmen – zu Beispiel über die Anzahl der Dimensionen im System oder Kalibrierungen – machen Ergebnisse angreifbar“, sagt Monz, der nun gemeinsam mit Julio Barreiro, heute am Max Planck Institut für Quantenoptik in Garching, und Jean-Daniel Bancal aus der Arbeitsgruppe um Nicolas Gisin an der Universität Genf, jetzt am Zentrum für Quantuntechnologien in Singapur, ein neues Messverfahren für den Nachweis der Verschränkung mehrerer Quantenobjekte entwickelt und getestet hat.

Korrelationen bestimmen

Diese vom Messsystem weitgehend unabhängige Methode geht von einer einzigen Annahme aus: „Wir müssen lediglich sicherstellen, dass wir an den einzelnen Quantenobjekten Operationen aus einem fixen Satz an Operationen durchführen, und dass diese Operationen untereinander unabhängig sind“, erklärt Julio Barreiro. „Welche Operationen aber im Detail durchführt werden, spielt dabei keine Rolle mehr.“ So schließen die Physiker viele Fehlerquellen und damit Fehlinterpretationen von Ergebnissen aus. „Am Ende untersuchen wir die Korrelationen zwischen den Messergebnissen der einzelnen Quantensysteme und den Messeinstellungen. Übersteigen die Korrelationen einen bestimmten Wert, dann gilt das als verlässliche Aussage darüber, dass die Objekte des Quantensystems miteinander verschränkt sind.“ Für die experimentell nur schwer vermeidbare gegenseitige Beeinflussung der im Innsbrucker Experiment in einer Vakuumkammer nebeneinander schwebenden Kalziumionen bei der Manipulation mit einem Laser hat der Schweizer Theoretiker Jean-Daniel Bancal den notwendigen Wert des Korrelationskoeffizienten nach oben korrigiert. „Wenn dieser Wert bei der Auswertung überschritten wird, kann mit Sicherheit von einem verschränkten System ausgegangen werden“, sagt Bancal.

Annahmen als Achillesferse

Für die Physik sind Verfahren, die von sehr wenigen Grundannahmen ausgehen, hochinteressant. Sie sind weitgehend unabhängig vom System, arbeiten extrem zuverlässig und stärken das Vertrauen in die Ergebnisse der Experimentalisten. „Annahmen sind die Achillesferse vieler Verfahren – experimentell wie auch in der Theorie“, betont Thomas Monz. „Uns ist es hier gelungen, die Zahl der notwendigen Annahmen für den Nachweis von Verschränkung in einem Quantensystem auf ein Minimum zu reduzierten. Wir erhalten damit eine sehr verlässliche Aussage, ob ein System von mehreren Quantenteilchen verschränkt ist oder nicht.“ In ihrem Labor konnten die Innsbrucker Physiker die Verschränkung von sechs Kalziumionen nachweisen. Die neue Methode kann auch in größeren Systemen eingesetzt werden, der technische Aufwand steigt mit der Zahl der Teilchen allerdings deutlich an.

Publikation:
Demonstration of genuine multipartite entanglement with device-independent witnesses. Julio T. Barreiro, Jean-Daniel Bancal, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Markus Hennrich, Thomas Monz, Nicolas Gisin, and Rainer Blatt. Advance Online Publication, Nature Physics 2013 (DOI: 10.1038/NPHYS2705)

Externer Link: www.uibk.ac.at

Kobalt statt Iod macht Solarzellen umweltfreundlicher

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 02.08.2013

Forschende der Universität Basel konnten in Farbstoffsolarzellen auf Kupferbasis das seltene Iod durch das weit häufigere Kobalt ersetzen. Damit gelingt ihnen ein weiterer Schritt in Richtung einer umweltfreundlichen Energiegewinnung. Die Fachzeitschrift «Chemical Communications» hat die Resultate zu den sogenannten Cu-Co-Zellen veröffentlicht.

Farbstoffsolarzellen oder DSC (Dye-sensitized Solar Cells) verwandelt Licht in Elektrizität. Sie bestehen aus einem Halbleiter, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Dieser fängt Sonnenlicht ein, und durch einen Elektronentransferprozess entsteht eine elektrische Spannung. Für den Ladungstransport innerhalb der Farbstoffsolarzelle sorgen Elektrolyte.

Als Elektrolyt wird üblicherweise Iod und Iodid verwendet. Chemikern der Universität Basel ist es nun gelungen, dieses iodbasierte Transportsystem in Kupfer-Farbstoffsolarzellen durch einen Kobalt-Komplex zu ersetzen. In Tests zeigte sich dadurch kein Verlust in der Leistung.

Häufig vorkommendes Element

Durch das Ersetzen von Iod durch Kobalt erhöht sich die Nachhaltigkeit der Solarzellen deutlich: «Iod kommt als Element im Boden nur selten vor, hingegen gibt es Kobalt 50-mal häufiger», erklärt Projektleiterin Dr. Biljana Bozic-Weber. Ausserdem verbessert sich dadurch die langfristige Stabilität von DSC mit Kupferfarbstoffen, da dadurch auch ein Abbauprozess verhindert wird, bei dem die Kupferverbindungen mit dem Elektrolyt reagieren und Kupferiodid bilden.

Der Forschungsgruppe um die Basler Chemieprofessoren Ed Constable und Catherine Housecroft arbeitet zurzeit daran, die Leistung von Farbstoffsolarzellen mit Kupferfarbstoffen zu verbessern. Ihnen war es 2012 gelungen, das seltene Ruthenium in Solarzellen durch Kupferderivate zu ersetzen.

Die erstmalige Kombination von Kupferfarbstoffen und Kobaltelektrolyten bildet einen wichtigen Schritt in der Entwicklung von stabilen, iodfreien Solarzelle auf Kupferbasis, auch wenn noch zahlreiche Effizienzaspekte behandelt werden müssen, bevor eine Kommerzialisierung ausserhalb von Nischenmärkten beginnen kann.

Molecular Systems Engineering

«Das Austauschen einer einzelnen Komponente der Solarzellen hat zur Konsequenz, dass alle anderen optimiert werden müssen», so Ed Constable. Dieses Vorgehen ist Teil eines neuen Ansatzes namens «Molecular Systems Engineering», bei dem alle molekularen und materiellen Komponenten eines Systems integriert und optimiert werden, um Nanomaschinen zu verbessern. Die vorliegende Publikation beschreibt das Engineering des Elektrolyten, des Farbstoffes und des Halbleiters.

Dieser systemische Ansatz in der Chemie eignet sich speziell für das Engineering von anorganisch-biologischen Hybriden. Er bildet auch die Basis für die bestehende Zusammenarbeit der Universität Basel mit dem ETH-Department of Biosystems Engineering in Basel (D-BSSE) und der EMPA. Ein gemeinsamer Antrag der Universität Basel und des D-BSSE für einen neuen nationalen Forschungsschwerpunkt auf diesem Gebiet steht momentan in der Endphase der Beurteilung.

Originalbeitrag:
Biljana Bozic-Weber, Edwin C. Constable, Sebastian O. Fürer, Catherine E. Housecroft, Lukas J. Troxler and Jennifer A. Zampese
Copper(I) dye-sensitized solar cells with [Co(bpy)3]2 /3 electrolyte
Chem. Commun., 2013,49, 7222-7224 | doi: 10.1039/C3CC44595J

Externer Link: www.unibas.ch

Neue Anwendung für die Nahfeldmikroskopie

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 02.08.2013

Wissenschaftler der Universität Tübingen setzen Goldspitze als „optische Antenne“ ein, um Nanostrukturen zu untersuchen

Wissenschaftler der Universität Tübingen haben eine neue Anwendung für die Nahfeldmikroskopie entwickelt. Die Forschungsgruppe von Professor Alfred Meixner aus dem Institut für Physikalische und Theoretische Chemie hat die Fluoreszenz einer scharfen Goldspitze eingesetzt, um die Nahfelder von Nanostrukturen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit einer Forschergruppe der Universität Stuttgart (Professor Harald Giessen) erreicht und werden in der August-Ausgabe des wissenschaftlichen Journals „Nano Letters“ veröffentlicht. (DOI: 10.1021/nl401173g)

Optische Nahfelder sind oberflächennahe Felder um Objekte im Nanobereich. Sie konnten bisher nur schwer vermessen werden, da sie nur eine geringe Abstrahlung aufweisen: Ihre elektromagnetische Feldstärke fällt innerhalb weniger Nanometer ab und reicht nur in einen Bereich, der kleiner ist als 600 Nanometer ‒ ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter. In solchen Nahfeldern können sowohl Kopplungen als auch Energieübertragungen zwischen Nanoobjekten stattfinden. Kennt man die Form und Größe dieser Nahfelder, können solche Prozesse, also die Wechselwirkung zwischen Strukturen, besser verstanden werden.

Die Visualisierung der optischen Nahfelder von Nanoobjekten ist in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt. Es wurden anspruchsvolle Methoden entwickelt, um die Form und Lokalisierung der Nahfelder nachzuweisen, wie beispielsweise die „nahfeldinduzierte Polymerisation“ oder Techniken, die scharfe Spitzen als Sonden einsetzen, um die Auflösung zu verbessern. Einige dieser spitzenbasierten Methoden verwenden punktförmige Objekte, die Strahlung abgeben, wie einzelne Moleküle, während andere die Streuung einzelner Goldnanokugeln als Nahfeldsonde verwenden. Zwar ist die Streuung einer einzelnen Goldkugel sehr stabil, aber dafür beeinflusst diese stark das untersuchte Nahfeld.

Die Tübinger Wissenschaftler haben nun einen neuen Ansatz für die Untersuchung von Nahfeldern plasmonischer Nanoobjekte entwickelt, beispielsweise in Metallen wie Aluminium. Dabei setzen sie die sehr stabile Fluoreszenz einer scharfen Goldspitze mit einem Spitzenradius unter zehn Nanometern ein. Diese wirkt wie eine optische „Breitbandantenne“: Das Nahfeld wird in einer sechseckigen Aluminium-Nanostruktur mit Laserlicht passender Symmetrie angeregt, das entweder azimutal (ringförmig) und radial (von der Mitte ausgehend) polarisiert ist. Dies führt zu einer Energieübertragung von der Struktur zur Spitze, die dadurch zur Fluoreszenz angeregt wird. Dieses „Signal“ ist direkt von der Stärke des Nahfelds abhängig, die Wissenschaftler können so mit einer neuen und vereinfachten Technik Nahfelder von Nanostrukturen vermessen und abbilden.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Diagnose Alzheimer: Forscher der Saar-Uni entwickeln einen Bluttest

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 29.07.2013

Alzheimer ist die häufigste Form der Demenz. In Deutschland gibt es rund 1,4 Millionen Betroffene. Bis 2050 sollen es rund drei Millionen sein. Die Krankheit eindeutig nachzuweisen, ist bislang schwierig oder gar nicht möglich. Bei der Diagnose handelt es sich meist um ein aufwendiges Unterfangen, bei dem teure Verfahren wie die Computertomografie oder psychologische Tests, die etwa Gedächtnis und Denkvermögen prüfen, zum Einsatz kommen. Abhilfe könnte hier künftig ein neuer Bluttest schaffen, den Wissenschaftler der Saar-Uni um Petra Leidinger, Christina Backes und Andreas Keller nun im renommierten Journal Genome Biology vorstellen. Die Forscher nutzen hierbei bestimmte Signaturen im Blut, die sie eindeutig der Krankheit zuordnen können. Der Test muss in der Klinik erst noch erprobt werden.

Biomarker sind Moleküle, mit denen Wissenschaftler und Ärzte unter anderem Erkrankungen diagnostizieren und den Verlauf einer Krankheit voraussagen können. Zu diesen Molekülen zählen auch sogenannte microRNAs. „Hierbei handelt es sich um kleine Nukleinsäuren, die im Blut jedes Menschen vorkommen“, erklärt Petra Leidinger vom Institut für Humangenetik der Universität des Saarlandes. „Für die Medizin sind sie von großem Interesse, weil ihre Zusammensetzung eine spezifische Signatur ergibt, die einer bestimmten Erkrankung zugeordnet werden kann.“

Ob es auch für Alzheimer ein solch spezifisches microRNA-Muster gibt, haben die Forscher in ihrer aktuellen Studie untersucht. „Wir haben hierfür Blutproben von 100 Alzheimer-Patienten getestet“, berichtet Andreas Keller vom Institut für Humangenetik, der auch bei Siemens Healthcare als Director Technology Innovation tätig ist. „Insgesamt haben wir bei zwölf microRNAs eine andere Zusammensetzung als bei den gesunden Personen der Kontrollgruppe gefunden.“ Das Besondere dabei: Genauigkeit, Empfindlichkeit und Präzision des Tests lagen bei über 90 Prozent – für einen Biomarker ein sehr gutes Ergebnis. „Bis es zur klinischen Anwendung kommt, bedarf es allerdings noch weiterer Untersuchungen“, sagt Cord Stähler, Chief Technology Officer bei Siemens Healthcare, der ebenfalls an der Arbeit beteiligt war.

Auch Menschen mit anderen Hirn-Erkrankungen können teilweise ähnliche Symptome wie Alzheimer-Patienten aufweisen. Daher haben die Homburger Forscher in einem weiteren Schritt geprüft, ob es Unterschiede in der microRNA-Signatur zwischen Alzheimer und anderen neurologischen Krankheiten gibt. „Auch hier konnten wir Alzheimer eindeutig von Schizophrenie oder Depression abgrenzen“, erklärt Leidinger. „Bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen, wie etwa Parkinson und der leichten kognitiven Beeinträchtigung, konnten wir zwar zeigen, dass die Signaturen voneinander abweichen, allerdings waren die Testergebnisse nicht so genau.“ Dies ließe sich aber verbessern, indem die Wissenschaftler die Molekül-Signaturen weiter verfeinern.

Das Forscherteam der Humangenetik befasst sich schon seit geraumer Zeit mit der Rolle von microRNAs als potentielle Biomarker bei verschiedenen Krankheiten, insbesondere bei Krebserkrankungen. Die Molekül-Muster könnten sich aber auch eignen, um diverse Erkrankungen des Hirns aufzuspüren.

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie erlauben zudem weitere Einblicke in die molekularen Mechanismen bei Alzheimer. So sind zwei der microRNAs an Prozessen beteiligt, die zur sogenannten Plaques-Bildung führen. Hierbei handelt es sich um Eiweißablagerungen im Gehirn – einem charakteristischen Kennzeichen der Krankheit. Außerdem geht die Wissenschaft davon aus, dass viele der microRNAs das Wachstum und die Form der Nervenzellen bei der Entwicklung des Gehirns beeinflussen.

Neben den Wissenschaftlern der Universität des Saarlandes und Siemens Healthcare waren an der Studie Forscherkollegen folgender Einrichtungen beteiligt: die Neurologische Klinik der Uniklinik Erlangen, die Innere Medizin II der Universität Heidelberg, das Excellenzcluster NeuroCure der Charité Berlin, das Clinical and Experimental Multiple Sclerosis Research Center der Charité Berlin sowie das Scripps Research Institute im kalifornischen La Jollla.

Publikation:
Genome Biology;
Petra Leidinger, Christina Backes, Stephanie Deutscher, Katja Schmitt, Sabine C Müller, Karen Frese, Jan Haas, Klemens Ruprecht, Friedemann Paul, Cord Stähler, Christoph JG Lang, Benjamin Meder, Tamas Bartfai, Eckart Meese, Andreas Keller:
„A blood based 12-miRNA signature of Alzheimer disease patients”.
DOI: doi:10.1186/gb-2013-14-7-r78

Externer Link: www.uni-saarland.de