Presseinformation der LMU München vom 22.07.2013

Schmerzrezeptoren reagieren auf Chilischärfe, aber auch auf zahlreiche andere Reize. Nun gelang es LMU-Wissenschaftlern, ein Gegenmittel gegen Chilischärfe in einen Lichtrezeptor zu verwandeln, mit dem verschiedene Schmerzreize separat gesteuert werden können.

Ein herzhafter Biss in eine Chilischote bringt den Mund gefühlt zum Brennen – und zwar, weil der Schärfebestandteil in Chili, das Capsaicin, auf einen Rezeptor wirkt, der auch durch Hitze stimuliert wird: Der sogenannte „Transient Receptor Potential Vanilloid 1“ (TRPV1) wird hauptsächlich in schmerzwahrnehmenden Nervenzellen gebildet und von mehreren chemischen und physikalischen Reizen aktiviert – neben Capsaicin und Hitze unter anderem auch durch elektrische Spannung, Spinnengifte und niedrige pH-Werte.

TRPV1 gehört zu einer der größten Ionenkanalfamilien, die als vielseitige zelluläre Sensoren eine zentrale Rolle in der Sinnesphysiologie wahrnehmen. „TRP-Kanäle sind auch in Sehprozesse involviert und möglicherweise für die Regulation des Tag- und Nachtrhythmus in Säugetieren verantwortlich. Trotz seiner vielfältigen Aktivierungsmechanismen reagiert TRPV1 allerdings von Natur aus nicht auf Licht“, sagt Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik an der LMU und Mitglied des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM).

Schärfehemmer wird künstlicher Lichtrezeptor

Trauner ist Spezialist dafür, Moleküle mit einem chemischen Schalter zu versehen, der auf Licht reagiert. Nun gelang es Trauners Team in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Gudermann (Walther-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie), zum ersten Mal auch TRPV1 durch Licht steuerbar zu machen – und zwar mithilfe von Capsazepin, das als kompetitiver Inhibitor den Effekt von Capsaicin auf den TRPV1-Kanal blockiert. „Wir haben TRPV1-Kanäle durch den Einsatz eines photoschaltbaren Capsazepin-Derivats in einen künstlichen Lichtrezeptor verwandelt“, sagt Marco Stein, der Erstautor der neuen Studie.

Die Wissenschaftler erreichten dies durch die Ankopplung sogenannter Azobenzole, die eine charakteristische chemische Doppelbindung enthalten, an der sie – je nach Wellenlänge des Lichts, dem sie ausgesetzt sind – abknicken (cis-Form) oder sich strecken (trans-Form). Das auf diese Weise entstandene Azo-Capsazepin 4 (AC4) erwies sich dabei als besonders vielversprechender Kandidat für die lichtabhängige Steuerung von TRPV1, denn es beeinflusst den Ionenkanal gleich auf zweierlei Weise: „In der trans-Form wirkt AC4 der spannungsinduzierten Aktivierung von TRPV1 entgegen, während es in der cis-Form als Antagonist von Capsaicin die Stimulierung von TRPV1 die Wahrnehmung von Chilischärfe blockiert“, erklärt Trauner.

Neue Dimension in der Photopharmakologie

Damit erweitert AC4 das Konzept der Photopharmakologie – also den Einsatz photoschaltbarer Verbindungen zur Steuerung der Aktivität von Ionenkanälen und Rezeptoren – um eine zusätzliche Dimension: „Da AC4 als photoschaltbarer Antagonist einen Agonisten (hier Capsaicin) in lichtabhängiger Weise hemmen kann, lassen sich Agonist und photoschaltbarer Antagonist gleichzeitig anwenden“, sagt Trauner. Da AC4 darüber hinaus je nach Wellenlänge des Lichts selektiv bestimmte Reize blockiert, könnte es zudem wichtige Erkenntnisse für die genaue Erforschung der jeweiligen Aktivierungsmechanismen liefern.

Als nächstes wollen die Wissenschaftler weitere Anwendungen von AC4 – sowie ähnlichen Verbindungen – für sinnesphysiologische Fragestellungen entwickeln. „Darüber hinaus wollen wir überprüfen, ob unsere Verbindungen in der Retina eine Form der Lichtwahrnehmung nach sich ziehen – also potenziell zur Therapie gewisser Formen von Blindheit eingesetzt werden könnten“, erläutert Stein mögliche medizinische Einsatzmöglichkeiten der neuen Substanz. (göd)

Publikation:
Angewandte Chemie 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemitteilung der TU Graz vom 15.07.2013

Erst seit April dieses Jahres forschen Experten am Christian-Doppler-(CD)-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz an den Batterien der Zukunft – und lassen bereits jetzt mit wegweisenden Ergebnissen aufhorchen: Mittels detaillierter Kernresonanzmessungen konnten sie die ultraschnelle atomare Dynamik eines hervorragenden Ionenleiters, der sich beispielsweise für Festkörper-Batterien eignet, nachweisen. Feststoff-Lithium-Ionenbatterien gelten in punkto Speicherkapazität, Langlebigkeit und Sicherheit als große Hoffnungsträger. Die Ergebnisse der Doktorarbeit von Viktor Epp wurden kürzlich im renommierten Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht.

Nicht nur der nachhaltige Erfolg der Elektromobilität, auch die Entwicklung leistungsstärkerer Handys oder Notebooks stellen hohe Anforderungen an Batteriesysteme, die bei erhöhter Speicherkapazität und gleichbleibender Sicherheit immer langlebiger werden sollen. Feststoff-Lithium-Ionenbatterien zählen zu den Hoffnungsträgern in der Batterieforschung. Im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionenbatterien mit flüssigen Elektrolyten haben diese sogenannten „all-solid-state Batterien“ die Nase vorne, was Sicherheit, Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit anbelangt. Forscher aus den Bereichen Festkörperchemie, Physik und Materialwissenschaft suchen daher weltweit unter Hochdruck nach geeigneten Festkörper-Ionenleitern für den Einsatz in solchen Batterien. Viktor Epp vom Institut für Chemische Technologien von Materialien der TU Graz nahm im Rahmen seiner Dissertation das Sulfid Li6PS5Br genauer unter die Lupe, das in der Arbeitsgruppe von Hans-Jörg Deiseroth an der Universität Siegen präpariert wurde. Mit der Methode der Lithium-Kernspinresonanzspektroskopie, wie sie im CD-Labor von der Arbeitsgruppe rund um Martin Wilkening betrieben wird, kam er zu einem erstaunlichen Ergebnis, das nun frühere, vorläufige Arbeiten bestätigt: Die Lithium-Ionen im untersuchten Sulfid bewegen sich unglaublich schnell. Damit qualifiziert sich Li6PS5Br als Spitzenreiter unter den Festelektrolyten, die für die Anwendung in Feststoffbatterien in Frage kommen.

„Hüpfende“ Atome: eine Milliarde Platzwechsel pro Sekunde

Die beobachteten „Hüpfprozesse“ der Atome in Li6PS5Br erwiesen sich als bemerkenswert: Mit Raumtemperatur-Sprungraten von mehr als einer Milliarde Platzwechsel pro Sekunde haben die Ionen im untersuchten Sulfid eine extrem hohe atomare Beweglichkeit. Auch in anderen Lithium-Verbindungen wurde eine solche Beweglichkeit nachgewiesen – allerdings sind viele der Materialien nicht nur ionisch, sondern auch elektronisch leitend und kommen daher für den Einsatz als Festelektrolyt nicht in Frage. Auf den ersten Blick funktioniert das Grundprinzip der elektrochemischen Energiespeicherung in einer Lithium-Ionenbatterie relativ einfach. Die Ionen bewegen sich während des Ladens und Entladens der Batterie zwischen den beiden Polen und durchqueren dabei strukturell unterschiedliche Materialien. Bei einer Feststoff-Lithium-Ionenbatterie übernimmt ein Festkörper, wie zum Beispiel ein lithiumhaltiges Oxid oder ein Sulfid, die Rolle des leitenden Elektrolyten. „Je mehr wir über die Natur des Ladungsträgertransportes in Festkörpern wissen, desto klarer wird, welche Materialien sich optimal für die zukünftige Weiterentwicklung von Batterien eignen“, erklärt Martin Wilkening, der sich mit seinem Team im CD-Labor der Untersuchung von Mikrostrukturen und dynamischen Prozessen in neuen Batteriematerialien verschrieben hat.

Publikation:
Journal of Physical Chemistry Letters; „Highly Mobile Ions: Low Temperature NMR Directly Probes Extremely Fast Li+ Hopping in Argyrodite-type Li6PSe5Br“; V. Epp, O. Gün, H.-J. Deiseroth, M. Wilkening, J. Phys. Chem. Lett., 4 (2013) 2118.

Externer Link: www.tugraz.at