Archiv der Kategorie: Hochschule

Tanz der Moleküle, chemisch choreographiert

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 11.07.2012

Neue Methodik für die templatgesteuerte Synthese

Der Aufbau neuer genetischer Abschnitte gleicht auf der molekularen Ebene einem Paartanz, bei dem sich zwei Partner die Hände reichen: Ein Partner befindet sich in einer bereits existierenden Kette von Buchstaben, der andere schließt ihn in die Arme. In der Natur wird dieser Vorgang von einer komplizierten Enzym-Maschinerie gesteuert – ob es auch ohne sie geht, versuchen Chemiker seit Jahren herauszufinden. Andreas Kaiser, Sebastian Spies und Prof. Clemens Richert vom Institut für Organische Chemie der Universität Stuttgart haben nun Bedingungen gefunden, die eine spontane Paarbildung zu lassen und berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der führenden Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“. Das Verfahren könnte neuartige diagnostische Tests in der Genforschung ermöglichen.

Wissenschaftlich gesprochen lagern sich bei dem Paartanz Moleküle, deren Gestalt komplementär ist, durch schwache Wechselwirkungen zusammen, so dass ein enger Kontakt entsteht. Dieses Prinzip der „molekularen Erkennung“ wird auch von der Natur genutzt: Millionfach lagern sich die Buchstaben des genetischen Alphabets an eine existierende Buchstabensequenz (ein Gen) an und bilden einen Tochterstrang. So werden Gene dupliziert, bevor sich Zellen teilen, und jede Tochterzelle erhält eine komplette Kopie der genetischen Information. In der Zelle sorgt eine komplizierte Enzym-Maschinerie dafür, dass alle Reaktionen schnell genug ablaufen und dass sich immer die passenden Buchstaben an die existierende Vorlage (Templatstrang) anlagern, also die Basenpaarungs-Regeln der DNA-Forscher James Watson und Francis Crick befolgt werden.

Seit Jahren versuchen Chemiker herauszufinden, ob die Paarbildung zwischen den Einzelbuchstaben und der Vorlage auch ohne die enzymatische Maschinerie spontan, allein aufgrund der Struktur der Bausteine ablaufen kann. Bisher war es möglich, kurze DNA-Abschnitte rein chemisch aufzubauen. Die Bedingungen für diese Synthesen sind aber so streng, dass eine Paarbildung unterdrückt wird.

Die Gruppe um Prof. Richert von der Universität Stuttgart fand nun Bedingungen, die die Paarbildung zulassen und deren chemische Reaktionsfreudigkeit dennoch ausreicht, um einen Kettenaufbau zu erlauben. Sie zeigten, dass so genannte „Schutzgruppen“ an der reaktiven Stelle der Einzelbuchstaben eine Freilegung der Reaktivität zu einem gewünschten Zeitpunkt ermöglichen. Erst wenn ein bestimmtes Reagenz zugegeben wird, kommt es zur Verknüpfung. Diese Bedingungen sind so „mild“, dass die spontane Paarbildung nicht gestört wird. Die Stuttgarter Chemiker konnten so bis zu zehn rein chemische Einbauschritte verfolgen und darüber hinaus zeigen, dass das Wachstum der Tochtersequenz nicht nur an einem Ende sondern sogar gleichzeitig an beiden Enden erfolgen kann. Dies lässt die Natur mit ihrer ausgeklügelten enzymatischen Maschinerie nicht zu.

Das neue Verfahren, das Charakteristika bekannter chemischer Syntheseverfahren mit biologisch inspirierten Schritten vereint, könnte es in Zukunft ermöglichen, die Sequenz von krankmachenden Genen leichter auszulesen. Auch für den spontanen Aufbau von kleinsten Formteilen könnte die Methodik interessant werden. Man spricht hier von DNA-Nanostrukturierung. Zunächst aber plant die Stuttgarter Gruppe Versuche, bei denen die Abfolge mehrerer spontaner „molekularer Tänze“ wie in einem Film aufgezeichnet werden können.

Publikation:
Andreas Kaiser, Sebastian Spies, Tanja Lommel, Clemens Richert: Template-Directed Synthesis in 3′- and 5′-Direction with Reversible Termination, Angewandte Chemie

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Neuartiger Ansatz enttarnt Datenmissbrauch auf mobilen Endgeräten

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 05.07.2012

Immer häufiger tun Mini-Programme auf internetfähigen Mobiltelefonen und Tablet-Rechnern mehr als sie vorgeben. Im Verborgenen leiten die „Apps“ private Daten an Dritte weiter. Gegen diesen Datenmissbrauch haben Saarbrücker Informatiker nun einen neuen Ansatz entwickelt. Sie können mit der App „SRT AppGuard“ dem Datenklau einen Riegel vorschieben. Der Clou: Für den Schutz müssen die verdächtigen Programme weder vorab bekannt sein, noch muss das Betriebssystem des Smartphones verändert werden. Stattdessen greift die kostenlos erhältliche App den Programmcode der digitalen Spione an.

„Mein Smartphone weiß fast alles über mich: Angefangen von meinem Namen, meiner Telefonnummer, meiner E-Mail-Adresse, über meine Interessen bis hin zu meinem aktuellen Aufenthaltsort“, erklärt Informatik-Professor Michael Backes, der an der Universität des Saarlandes das Center für IT-Security, Privacy and Accountability leitet. „Und es kennt sogar meine Freunde bestens. Deren Kontaktdaten speichert es ja auch“, so Backes. Daher wundere es ihn nicht, dass zahlreiche Mini-Programme, sogenannte Apps, einfache Anwendungen vorspielen und im Hintergrund die Kennnummer des Gerätes, den eigenen Aufenthaltsort oder sogar die Kontaktdaten von Freunden, Kollegen und Kunden an einen Server irgendwo im Internet verschicken.

Solche Szenarien malen die Hersteller von Anti-Viren-Software schon seit längerem in den grellsten Farben aus, inzwischen liefern auch wissenschaftliche Studien Beweise für die Bedrohung. So kam eine Studie der US-amerikanischen University of California in Santa Barbara zu dem Ergebnis, dass von 825 untersuchten Apps für das iPhone und dessen Betriebssystem iOS 21 Prozent die Identifikationsnummer, vier Prozent die aktuelle Position weitergeben und 0,5 Prozent sogar das Adressbuch kopieren. Auch die staatlich geförderte „Stiftung Warentest“ stufte Ende Mai dieses Jahres beim Test der Datensicherheit von 63 beliebten Apps neun davon als „sehr kritisch“, 28 als „kritisch“ ein.

Michael Backes und seine Forschergruppe schieben diesem Missbrauch nun einen Riegel vor. Ihr Ansatz richtet sich dabei auf Android. Es ist das am weitesten verbreitete Betriebssystem für Smartphones und Tablet-Rechner. Vom Softwarekonzern Google entwickelt, wird dieses frei verfügbare Betriebssystem von verschiedenen Handy-Herstellern genutzt und seit November 2011 täglich auf mehr als 700000 Geräten aktiviert.

Android ist jedoch für seine rigorose Rechtevergabe bekannt. Will der Anwender die heruntergeladene App installieren, erfährt er mittels einer Liste, welche Zugriffsrechte auf Daten (Ort, Kontakt, Fotos) und Funktionen (Internet, Ortung) diese fordert. Nun hat er nur zwei Möglichkeiten: Entweder er akzeptiert alle Bedingungen oder die App wird nicht installiert. Nach der Installation können die Rechte nicht mehr rückgängig gemacht werden. „Hinzu kommt, dass viele Entwickler generell alle Rechte für ihre App anfordern, weil das Rechtekonzept von Android missverständlich ist, sie aber den reibungslosen Betrieb ihrer App sicherstellen wollen“, erklärt Philipp von Styp-Rekowsky, Doktorand am Lehrstuhl für IT-Sicherheit und Kryptografie.

Diese Friss-oder-Stirb-Strategie legen die Saarbrücker Forscher ad acta. Die auf ihrem Ansatz basierende App „SRT AppGuard“ stellt für jede auf dem Smartphone installierte Anwendung fest, worauf diese zugreift und zeigt dies dem Anwender an. Dieser kann nun jederzeit der jeweiligen App die Rechte dafür entziehen oder neu gewähren. Die Forscher haben die App bereits auf der Plattform „Google Play“ veröffentlicht. Sie kann von dort kostenlos heruntergeladen werden. Sie funktioniert einwandfrei ab den Android-Versionen 3.x.x, die seit Anfang 2011 verwendet werden.

Die Entwicklung der App hatte das von Backes 2010 gegründete Unternehmen Backes SRT GmbH übernommen. Es hat seinen Sitz ebenfalls auf dem Saarbrücker Campus. Neben dem Fachbereich Informatik der Saar-Uni und dem Center für IT-Security, Privacy and Accountability (CISPA) forschen und entwickeln dort außerdem das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, das Max-Planck-Institut für Informatik, das Max-Planck-Institut für Software Systeme, das Zentrum für Bioinformatik, das Intel Visual Computing Institute und der Exzellenzcluster „Multimodal Computing and Interaction“.

Technischer Hintergrund

Für ihren Ansatz nutzen die Saarbrücker Informatiker die Tatsache aus, dass die Android-Apps in einer sogenannten virtuellen Maschine laufen, die in der Programmiersprache Java geschrieben ist. Die Apps werden daher nach der Installation als ausführbarer „Bytecode“ auf dem Smartphone abgespeichert. Hier setzt der „SRT AppGuard“ an. Während die verdächtige App läuft, untersucht er deren Bytecode nach den sicherheitskritischen Stellen, die ihm von den Saarbrücker Experten eingetrichtert wurden. Vor jede verdächtige Anweisung oder vor jeden Aufruf fügt er einen speziellen Überwachungscode ein. Dies ist nur einmal notwendig, da der so abgesicherte Bytecode anschließend den ursprünglichen ersetzt. Dieses Überschreiben erfordert meist nur wenige Sekunden und wenige Zeilen zusätzlichen Codes. Die Informatiker haben es für 13 Apps untersucht, darunter auch das populäre Spiel „Angry Birds“, die Musik-Identifikations-App „Shazam“ und die Social-Media Apps „Facebook“ und „WhatsApp“. Bei der zum Kurznachrichten-Dienst Twitter gehörigen App erfordert es beispielsweise 16,7 Sekunden und 48 zusätzliche Zeilen Code. „Das ist wie in einem Kunstmuseum“, erklärt von Styp-Rekowsky, „anstatt jeden Besucher zu überwachen, stattet man dort nur die wertvollen Gemälde mit einer unsichtbaren Alarmfunktion aus.“

Die Saarbrücker App kann jedoch noch mehr, als nur Alarm schlagen. Sie ist auch in der Lage, verdächtige Aufrufe abzublocken oder diese so zu ändern, dass sie kein Unheil anrichten. „Wir können somit auch verhindern, dass bereits bekannte Sicherheitslücken in der jeweiligen App oder des Android-Betriebssystems ausgenutzt werden“, ergänzt Professor Michael Backes. Diese Möglichkeit werde besonders wichtig, falls der Hersteller mit dem Ausbessern nicht zeitnahe nachkomme, so der Professor.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Nature: Molekül ändert Magnetismus und Leitfähigkeit

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 03.07.2012

Mittels Strom schalten Forscher den magnetischen Zustand und den elektrischen Widerstand eines einzelnen Moleküls an und aus / Blaupause für neuartige, kompakte Speichermedien

Um eine digitale Information, ein Bit, auf einer Festplatte zu speichern, werden etwa drei Millionen Atome belegt. Forscher aus Karlsruhe, Straßburg und Chiba/Japan haben nun einen Speicher entwickelt, indem ein einzelnes Molekül ein Bit trägt. Maßgeblich beteiligt sind Nano-Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Mittels eines Stromimpulses lässt sich das metallorganische Molekül zuverlässig zwischen leitendem, magnetischem und kaum-leitendem, unmagnetischem Zustand umschalten. Über diese für Moleküle neuartige Korrelation berichten die Forscher nun im Fachmagazin Nature Communications (doi: 10.1038/ncomms1940).

„Immer kleinere Bit-Größen in einer Festplatte zu realisieren, wird von dem superparamagnetischen Effekt verhindert“, erklärt Toshio Miyamachi, Erstautor der Studie und Forscher am Center for Functional Nanostructures (CFN) am KIT. Der superparamagnetische Effekt beschreibt, dass unter einer gewissen Größe der magnetischen Speicherkristalle, diese immer anfälliger für thermisches Umschalten werden und deshalb die Information rasch verloren geht. „Deshalb haben wir einen anderen Ansatz gewählt und in die Mitte eines organischen Moleküls aus 51 Atomen ein einzelnes magnetisches Eisenatom gesetzt. Die Hülle schützt die Information, die im zentralen Atom gespeichert ist.“ Neben der ultimativen Dichte von einem Bit pro Molekül hat diese Art des Speicherns mittels sogenannter spin-crossover-Molekülen auch den Vorteil, dass der Schreibvorgang zuverlässig und rein elektrisch von statten geht.

„Mittels eines Rastertunnelmikroskops konnten wir definierte Stromstöße auf das nanometergroße Molekül geben“, ergänzt Wulf Wulfhekel, Leiter der Karlsruher Forschergruppe am Physikalischen Institut. „Interessanterweise ändert sich dadurch nicht nur reproduzierbar der magnetische Zustand des Eisens, sondern auch die elektrischen Eigenschaften des Moleküls.“ Die zwei möglichen magnetischen Konfigurationen führen also zu verschiedenen Leitfähigkeiten und der magnetische Zustand lässt sich sehr einfach über eine Widerstandsmessung ermitteln.

In der aktuellen Studie legen die Forscher erst die Grundlagen und zeigen die prinzipielle Machbarkeit und Vorteile von Speichern aus spin-crossover-Molekülen. „Diese in einem Molekül kombinierten memristiven und spintronischen Eigenschaften stoßen das Tor zu einem neuen Forschungsfeld auf“, sind sich die Forscher sicher. Als Memristoren werden Speicher bezeichnet, die Informationen als Widerstandsänderungen ablegen. Die Spintronik nutzt den magnetischen Spin einzelner Teilchen für die Informationsverarbeitung.

Beteiligt an der Studie waren die Labore des Center for Functional Nanostructures (CFN) am KIT, das Institut de Physique et Chimie des Matériaux (IPCMS) in Straßburg, das Synchrotron SOLEIL in Paris und die Universität Chiba in Japan. (kes)

Fachveröffentlichung:
T. Miyamachi, M. Gruber, V. Davesne, M. Bowen, S. Boukari, L. Joly, F. Scheurer, G. Rogez, T.K. Yamada, P. Ohresser, E. Beaurepaire, W. Wulfhekel, Robust spin crossover and memristance across a single molecule. Nat. Commun. , doi: 10.1038/ncomms1940

Externer Link: www.kit.edu

Herzinfarktrisiko durch Ultraschall besser erkennen: Erfolgreicher Industrietransfer

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 29.06.2012

Durch eine genaue Messung der Arterienwanddicke mit Ultraschall lässt sich ein Herzinfarktrisiko frühzeitig abschätzen. Ein neuartiges Verfahren erlaubt es nun, diese Messung einfach und hoch präzis auf portablen Ultraschallgeräten durchzuführen. Entwickelt von Forschenden der Sportmedizin der Universität Basel, wird es nun von einem Industriepartner eingesetzt.

Für eine gezieltere Abschätzung des Herzinfarkt- und Schlaganfallrisikos ist die Messung der Dicke der Arterienwand an der Halsschlagader eine etablierte Methode. Besonders bei Patienten mit mittlerer Gefährdung kann es hilfreich sein, das Risiko mit der zusätzlichen Information der Wanddicke besser einzugrenzen, um damit eine Therapie und weitere diagnostische Massnahmen gezielter einzuleiten. Es fehlte bisher jedoch an Messmethoden, welche die im Ultraschall abgebildete Arterienwand, die sogenannte Intima-Media-Dicke, präzise und zugleich komfortabel erfassen können.

Dr. Alexandra Teynor und Prof. Dr. Arno Schmidt-Trucksäss aus der Sportmedizin des Instituts für Sport und Sportwissenschaften (ISSW) der Universität Basel haben eine entsprechende Analysesoftware über mehrere Jahre entwickelt. Im Rahmen der nationalen SAPALDIA-Studie und in Kooperation mit dem Schweizerischen Tropen- und Public Health-Institut (Swiss TPH) wurde das automatische, computerbasierte Messprogramm unter Einbindung eines Doktorats klinisch validiert und kürzlich in der Fachzeitschrift «Ultrasound in Medicine and Biology» publiziert.

Das Besondere an dem Messprogramm ist neben der Anwenderfreundlichkeit und hohen Präzision die Möglichkeit, die Resultate der automatischen Konturerkennung interaktiv zu korrigieren; dies könnte etwa weitere, möglicherweise unnötige  Untersuchungen vermeiden. Aufgrund des erfolgreichen Einsatzes in der SAPALDIA-Studie, für die rund 2,5 Millionen Bilder der Arterienwand im zentralen Reading Center am ISSW analysiert wurden, hat die international tätige Medizintechnik-Firma Fukuda Denshi entschieden, das Programm in ihre neue Generation von portablen Ultraschallgeräten einzubinden. Dieser erfolgreiche Industrietransfer wurde von der Unitectra, der Technologietransfer-Organisation der Universitäten Basel, Bern und Zürich, vermittelt.

Externer Link: www.unibas.ch

Matrix modifiziert

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 28.06.2012

Das Schicksal von Stammzellen in die Hand nehmen

RUB-Forscher erzeugen gezielt unreife Nervenzellen

RUB-Biologen haben gezielt Stammzellen aus dem Rückenmark von Mäusen in unreife Nervenzellen umgewandelt. Das gelang, indem sie die Zellumgebung, extrazelluläre Matrix genannt, durch die Substanz Natriumchlorat veränderten. Über Zuckerseitenketten bestimmt die extrazelluläre Matrix, welchen Zelltyp eine Stammzelle annimmt. „Vorläuferzellen pharmakologisch so zu beeinflussen, dass sie sich in einen bestimmten Typ verwandeln, kann zukünftig bei Zellersatztherapien helfen“, so Prof. Dr. Stefan Wiese, Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare Zellbiologie. „Therapien zum Beispiel für Parkinson, Multiple Sklerose oder Amyotrophe Lateralsklerose könnten dann effizienter werden.“ Das Team beschreibt seine Ergebnisse in der Zeitschrift Neural Development.

Sulfat entscheidet über Stammzellschicksal

Natriumchlorat wirkt in der Zelle auf Enzyme des Stoffwechsels, die Sulfatgruppen an Proteine anhängen. Werden diese Sulfate nicht eingebaut, bildet die Zelle zwar weiterhin Proteine für die extrazelluläre Matrix, allerdings mit veränderten Zuckerseitenketten. Diese Ketten wiederum senden Signale aus, die das Schicksal der Stammzellen definieren. Stammzellen können sich nicht nur zu Nervenzellen entwickeln, sondern auch Astrozyten oder Oligodendrozyten bilden, die zum Beispiel für den Mineralhaushalt der Nervenzellen verantwortlich sind oder deren Isolierschicht bilden. Was mit Stammzellen passiert, wenn durch Natriumchlorat das Sulfatmuster geändert wird, untersuchte ein Forscherteam um Dr. Michael Karus zusammen mit der AG Molekulare Zellbiologie.

Positiver Nebeneffekt: Nervenzellen bleiben unreif

Für die Studie kooperierten die RUB-Labore von Prof. Dr. Stefan Wiese, Prof. Dr. Andreas Faissner und Prof. Dr. Irmgard Dietzel-Meyer. Mit Antikörpern wiesen die Forscherinnen Forscher nach, dass Zellen, die sie mit Natriumchlorat behandelt hatten, sich zu Nervenzellen entwickelten. Sie analysierten außerdem den Fluss von Natriumionen in das Innere der Zellen. Das Ergebnis: Behandelte Zellen wiesen einen geringeren Natriumstrom auf als reife Nervenzellen. Natriumchlorat begünstigt also die Entwicklung von Stamm- zu Nervenzellen, hemmt aber gleichzeitig auch die Reifung – ein positiver Nebeneffekt, wie Wiese erklärt: „Wenn Natriumchlorat die Nervenzellen in einer frühen Entwicklungsphase stoppt, könnte das dafür sorgen, dass sie sich nach einer Transplantation besser ins Nervensystem integrieren, als es reife Nervenzellen tun würden.“ (Julia Weiler)

Titelaufnahme:
M. Karus, S. Samtleben, C. Busse, T. Tsai, I.D. Dietzel, A. Faissner, S. Wiese (2012): Normal sulphation levels regulate spinal cord neural precursor cell proliferation and differentiation, Neural Development, doi:10.1186/1749-8104-7-20

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