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DNA-Origami-Faltung bildet einen intelligenten Verschluss für Nanoporen

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Pressemitteilung der TU München vom 19.04.2012

Zwei Forschungsarbeiten der TUM eröffnen neue Möglichkeiten für den Nachweis einzelner Moleküle:

Eine neu entwickelte Variante von festkörperbasierten Nanosensoren wurde mit ein paar Tricks aus der Bionanotechnologie verbessert, so dass die Möglichkeiten zur Messung von Einzelmolekülen und damit ein markierungsfreies Screening von Proteinen erweitert wurden. Forschern an der TU München ist es gelungen, die Funktionalität von Festkörper-Nanoporen zu verbessern, indem sie diese mit Nanoplättchen-Deckeln aus DNA als eine Art Verschluss versehen haben. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie, International Edition, veröffentlicht.

Zentrale Öffnungen in diesen Plättchen fungieren als „Torwächter“ und kontrollieren quasi einzelne Moleküle beim Passieren der Nanoschleuse. Gebildet werden diese Deckel mit dem sogenannten DNA-Origami-Verfahren: Abgeleitet von der japanischen Faltkunst Origami werden DNA-Stränge so synthetisiert, dass sie sich zu maßgeschneiderten Strukturen mit spezifischen chemischen Eigenschaften falten.

Im Verlauf der letzten Jahre ist es der Forschungsgruppe um Prof. Hendrik Dietz an der TUM gelungen, die DNA-Origami-Technik deutlich zu verfeinern. Dabei konnten sie zeigen, dass die mit Origami-Technik hergestellten Strukturen für Forschungszwecke in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden können. Ähnliche Fragen zur Messung einzelner Moleküle hat zur gleichen Zeit das Team von Dr. Ulrich Rant mit festkörperbasierten Nanoporen-Sensoren untersucht. Das messtechnische Prinzip dieser Sensoren basiert auf einer dünnen Halbleitermembran mit wenige Nanometer großen Öffnungen, durch die die gewünschten Biomoleküle einzeln geschleust werden. Wenn Biomoleküle durch diese Poren schlüpfen oder dort verweilen, liefern kleinste Änderungen des elektrischen Stroms, der durch die Nanopore fließt, Informationen über ihre charakteristischen physikalischen Eigenschaften. Inzwischen untersuchen Dietz und Rant gemeinsam – beide sind Fellows des TUM Institute for Advanced Study – welche Möglichkeiten eine kombinierte Anwendung dieser beiden Technologien eröffnen könnte.

Für das neue Messverfahren – das vor diesen Experimenten rein hypothetischer Natur war – wird zunächst ein DNA-Origami-Nanoplättchen über dem schmalen Ende einer konisch zulaufenden Festkörper-Nanopore positioniert. Durch eine Modifikation der Größe der zentralen Öffnung in der DNA-Nanoplatte lässt sich eine Filterung von Molekülen nach ihrer Größe erreichen. Um das System weiter zu verfeinern, werden Einzelstrang-DNA-Rezeptoren in der Öffnung als eine Art „Köder“ platziert, die sequenzspezifisch Zielmoleküle binden und damit den Nachweis einzelner Moleküle ermöglichen. Weitere denkbare Anwendungen sind hier unter anderem biomolekulare Interaktions-Screens und der Nachweis einzelner DNA-Sequenzen. Im Prinzip könnte man dieses System auch als Grundlage für ein neues Verfahren zur DNA-Sequenzierung nutzen.

Die Wissenschaftler untersuchten jede dieser Ideen Schritt für Schritt. Dabei konnten sie sowohl die Selbstorganisation von maßgeschneiderten DNA-Origami-Nanoplättchen als auch die anschließende elektrisch geleitete Positionierung über den Festkörper-Nanoporen belegen. Sie konnten auch zeigen, dass die größenabhängige Filterung von Biomolekülen und der Nachweis einzelner Zielmoleküle über spezifische „Köder“ funktionieren. „Wir freuen uns besonders darüber, dass wir mit unserem Köder aus spezifischen DNA-Sequenzen einzelne Moleküle herausfiltern und nachweisen konnten“, erläutert Dietz. „Denn neben DNA könnten sich auch eine Menge andere chemische Bestandteile des Stoffgemischs an der entsprechenden Stelle des DNA-Nanoplättchen unspezifisch anheften.“

Für den Einsatz bei hochspezifischen Messverfahren wie der DNA-Sequenzierung gilt es noch einige Hürden zu überwinden, erläutert Rant. „In zukünftigen Arbeiten müssen noch grundlegende Fragen geklärt werden, zum Beispiel in wie weit der direkte Transport von Ionen über die Origami Nanoplättchen die erreichbare Messgenauigkeit beeinflusst oder wie eine noch stabilere Verankerung der Nanoplättchen auf den Festkörperporen erzielt werden kann.“

Diese Forschungsarbeiten wurden unterstützt durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder – und zwar im Einzelnen durch das TUM Institute for Advanced Study, die Nano Initiative Munich und das Center for Integrated Protein Science Munich – sowie durch den Sonderforschungsbereich (SFB) 863 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und eine Nachwuchsforscher-Finanzhilfe des Europäischen Forschungsrates (ERC) an Hendrik Dietz. Ruoshan Wei wurde vom Fakultätsgraduiertenzentrum Physik der TUM Graduate School unterstützt.

Originalveröffentlichung:
DNA Origami Gatekeepers for Solid-State Nanopores Ruoshan Wei, Thomas G. Martin, Ulrich Rant, and Hendrik Dietz Angewandte Chemie International Edition on-line, April 4, 2012. DOI: 10.1002/anie.201200688

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Quantenchip in Sicht

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Presseinformation der Universität Innsbruck vom 17.04.2012

Dem Fernziel, quantenoptische Experimente und Funktionen auf Halbleiterchips zu integrieren, sind österreichische und kanadische Wissenschaftler um Prof. Gregor Weihs einen entscheidenden Schritt näher gerückt. Sie haben im Labor erstmals eine praktikable Quelle für Photonenpaare in einem Halbleiter realisiert.

Experimentalphysiker nutzen seit Jahren verschränkte Lichtteilchen (Photonen), um die rätselhaften Eigenschaften der Quantenwelt zu ergründen. Für Anwendungen dieser Phänomene in der Quantenkryptographie oder in Quantencomputern werden alltagstaugliche Quantentechnologien benötigt. Physiker träumen deshalb von quantenoptischen Chips, in denen alle benötigen Funktionen auf kleinstem Raum untergebracht werden können. Eine Gruppe um Prof. Gregor Weihs von der Universität Innsbruck und der Universität Waterloo hat gemeinsam mit Forschern der Universität Toronto nun erstmals auf einem Halbleiterchip aus Gallium-Arsenid eine Quelle für verschränkte Photonenpaare realisiert.

Nanostrukturen leiten Licht

Gallium-Arsenid ist ein gängiges Material für den Bau von Laserdioden. Es verfügt über die von Quantenoptikern geschätzten nichtlinearen Eigenschaften, die vielfältige physikalische Phänomene technologisch nutzbar machen. So lassen sich in dem Material auch Photonen aus einem Laser in Photonenpaare niedrigerer Energie aufspalten. Diese in einem Halbleiter generierten Photonenpaare sind verschränkt, haben also einen Quantenzustand gemeinsam. Für die praktische Nutzung der Verschränkung für die Informationsverarbeitung stellt sich aber ein Problem. „Weil sich die Photonen des Lasers und die Photonenpaare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das transparente Material fortbewegen, löschen sie sich meist gegenseitig aus“, erklärt Gregor Weihs. „Die Ausbeute an Photonenpaaren ist deshalb äußerst gering.“ Der Idee von Forscherkollegen der Universität Toronto folgend, haben Weihs und sein Team den Halbleiterchip deshalb wie einen Schichtkuchen aufgebaut. Die einzelnen Schichten haben unterschiedliche Brechungsindizes, und ihre Dicke liegt im Nanometerbereich. An den Schichtgrenzen kommt es zu Lichtreflexionen, die – richtig eingesetzt – die Photonen in gleicher Geschwindigkeit durch das Material leiten und so die gegenseitige Auslöschung verhindern. Damit steigt die Effizienz der Photonenquelle stark an.

Zukunft Quantenchip

Die exakte Herstellung der genau definierten Nanostrukturen ist freilich nicht einfach, so dass die Physiker in ihrem Experiment noch hohe Leistungsverluste verzeichnen. „Der Effekt ist allerdings so effizient, dass wir selbst unter diesen Voraussetzung ein sehr gutes Signal erhalten“, freut sich Quantenphysiker Weihs. Nun will er mit seinem Team die Photonenquelle so weiterentwickeln, dass auch die Polarisation der Photonen verschränkt werden kann. Diese Eigenschaft wird in der Quanteninformationsverarbeitung mit Photonen besonders oft gerne eingesetzt. „Wir haben immer von einer solchen integrierten Photonenquelle geträumt, in die wir einen elektrischen Impuls senden und am Ausgang verschränkte Photonen erhalten“, erzählt Gregor Weihs. „Damit werde ich in unseren Experimenten die heute noch aufwändigen Aufbauten eines halben Labortisches ersetzen können.“ Am Ende dieser Entwicklung könnten vollständig integrierte quantenoptische Bausteine stehen, die die Quanteninformationsverarbeitung in Zukunft alltagstauglich machen.

Publikation:
Monolithic Source of Photon Pairs. Rolf Horn, Payam Abolghasem, Bhavin J. Bijlani, Dongpeng Kang, A. S. Helmy, and Gregor Weihs. Phys. Rev. Lett. 108, 153605 (2012)

Externer Link: www.uibk.ac.at

Mehr Information vom Computertomographen

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Presseaussendung der TU Wien vom 03.04.2012

Unter der Leitung der TU Wien gelang es nun einem internationalen Forschungskonsortium, aus Computertomographie-Daten viel mehr Information herauszuholen als das bisher möglich war.

Röntgen-Computertomographen liefern heute hochauflösende Bilder vom Inneren des Körpers – doch über Materialeigenschaften oder chemische Zusammensetzung des abgebildeten Gewebes konnten diese Bilder bisher nichts aussagen. Koordiniert von der TU Wien gelang es nun einem großen internationales Konsortium aus akademischen Forschungsgruppen und Industriepartnern, die Datenauswertung in der Computertomographie deutlich zu verbessern. Das Gemeinschaftsprojekt brachte neue Berechnungsmethoden und Computercodes hervor, die nun für Knochenimplantation, für Zahnersatz, in der Chirurgie und bei der Züchtung von künstlichem Gewebe eingesetzt werden sollen.

Computer wertet Daten aus

„Die Computertomographie liefert einfach für jeden Punkt im Gewebe einen bestimmten Grauton“, erklärt Professor Christian Hellmich. „Über die Materialeigenschaften des Gewebes sagen diese Werte oberflächlich betrachtet zunächst noch nichts aus.“ Christian Hellmich vom Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der TU Wien war der Koordinator des Projektes BIO-CT EXPLOIT, in dem Universitäten und private Firmen aus ganz Europa zusammenarbeiteten. „Bei der Auswertung eines Bildes hat man aber nicht nur die Röntgen-Messdaten des Computertomographen zur Verfügung, man kann gleichzeitig auch auf das umfangreiche Wissen über biologisches Gewebe zurückgreifen, das wir bereits haben“, sagt Hellmich.

Mehr aus den Daten herausholen mit Computersimulationen

Verschiedene biologische Gewebe – etwa Knochen – wurden in Computersimulationen mikro-mechanisch beschrieben. Mit Hilfe dieses Zusatzwissens können die Bilder aus dem Tomographen so präzise interpretiert werden, das sich ein 3D-Bild bestimmter Materialeigenschaften erstellen lässt. So lässt sich etwa Bildpunkt für Bildpunkt die Steifigkeit bestimmen, Spannungen im Material werden sichtbar, selbst über die chemische Zusammensetzung können mit den neuen Computermethoden Aussagen getroffen werden.

„Vergleichbar ist das mit der Luftaufnahme eines Waldes“, meint Professor Hellmich. „Die Farben auf einem Foto sagen zunächst nicht viel aus, wenn ich aber genau weiß, welche Pflanzen dort stehen und wie die Blattfarbe mit Feuchtigkeit oder Bodenbeschaffenheit zu tun hat, dann kann man plötzlich eine ganze Menge über den Wald sagen.“

Die Forschungsideen kommen aus der Grundlagenforschung, die neu entwickelten Methoden lassen sich allerdings direkt bei medizinischen Anwendungen einsetzen: „Unsere neuen strukturmechanischen Software-Tools wurden so entwickelt, dass sie mit kommerzieller Software moderner Computertomographen voll kompatibel ist“, erklärt Hellmich.

Universitäten und Wirtschaft ziehen an einem Strang

BIO-CT EXPLOIT war eine enge Kooperation von wissenschaftlichen und privaten Forschungspartnern. Vier private Firmen (Simpleware Ltd, InMatrixs, CADFEM GmbH, Skyscan NV.) und vier akademische Partner (TU Wien, Universita Politecnica delle Marche, Politechnika Warszawska, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg) bündelten ihre Kräfte, um um Prototypen zu kommerziell verwertbaren Produkten zu entwickeln. Das Projekt startete im Dezember 2009 und wurde von der EU durch das Programm „Research for the benefit of small and medium-sized enterprises“ gefördert. Projektkoordinator Christian Hellmich ist mit dem Verlauf des Projektes hochzufrieden: „In nur zwei Jahren haben wir unsere Ziele erreicht – die Kollaboration war ein großer Erfolg.“

Wissenschaftliche Ideen münden in kommerzielle Produkte

Die Firma CADFEM bietet Softwaretools für die Zahnmedizin an. Durch das Forschungsprojekt entstand ein Softwareprototyp, der hilft, patientenspezifische Simulationen von Zahnimplantaten durchzuführen. Mechanische Spannungen im Kieferknochen können dadurch schon am Computer abgeschätzt werden.

SIMPLEWARE bietet Software für die Umwandlung von 3D-Bildern in hochqualitatives CAD, Rapid Prototyping, CFD und Finite-Elemente-Modelle. Die Möglichkeit, Elastizitätseigenschaften von Material durch CT-Bilder abschätzen zu können, wird in Zukunft ein wichtiger neuer Bestandteil der SIMPLEWARE-Softwaretools sein.

SkyScan entwickelt einfach zu benutzende Desktop-Instrumente, die 3D-Bilder von der inneren Struktur von Objekten bis in den Sub-Mikrometer-Bereich liefern. Das BIO-CT EXPLOIT-Projekt eröffnete für SkyScan die Möglichkeit, das bestehende Angebot zu erweitern – etwa bei der Entfernung von Bild-Artefakten, der chemischen Zusammensetzung von Knochen oder der Darstellung  mechanischer Eigenschaften.

INMATRIX Ltd, ein akademisches Spin-off der Russischen Akademie der Wissenschaften, beschäftigt sich mit biomedizinischen Geräten und Knochengewebe-Technologie. Durch die neuen Erkenntnisse kann INMATRIX die Eigenschaften der verwendeten Materialien genauer erforschen – bei Biomaterialien, aber auch bei Keramik-Implantaten.

Das Projekt ist abgeschlossen – die Kooperationen bestehen weiter

Die Zusammenarbeit der Forschungspartner soll auch in Zukunft fortgesetzt werden – sowohl in Bezug auf die weitere Vermarktung der Produkte als auch bei der Suche nach spannenden neuen Forschungsmöglichkeiten. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Neue Methode in der Immunologie

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Presseinformation der LMU München vom 10.04.2012

Grünes Licht für Antigene

Die Körperabwehr ist eine potente Waffe gegen Krankheitserreger, bei Autoimmunerkrankungen greift sie aber den eigenen Organismus an. Welche Bestandteile von Erregern, Tumoren oder körpereigenen Zellen die Immunabwehr im Einzelfall attackiert, lässt sich nun nachweisen – und zwar ohne Anfangsverdacht.

Antigene signalisieren dem Immunsystem „Gefahr“ und lösen Immunreaktionen aus – die sich bei Autoimmunkrankheiten allerdings gegen eigenes Gewebe richten. Eine neue Methode zur Identifizierung von Antigenen kann künftig helfen, solche fehlgeleiteten Reaktionen zu bekämpfen: Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie entwickelten gentechnisch veränderte Zellen, die grün aufleuchten, wenn sie durch entsprechende Antigene stimuliert werden.

Die immunologische „Nadel im Heuhaufen“

Die neue Methode beruht darauf, dass gezielt sogenannte T-Zellen aus dem Gewebe von Patienten gewonnen und ihr antigen-spezifischer Rezeptor (TZR) in eine Zelllinie eingeschleust wird, die sich im Labor gut vermehren lässt. Gleichzeitig schleusten die Wissenschaftler um Dr. Klaus Dornmair (Institut für Klinische Neuroimmunologie der LMU und Abt. Neuroimmunologie des MPI für Neurobiologie) das Gen für das sogenannte grün fluoreszierende Protein (GFP) in die Zellen, die anschließend mit einer neuartigen Bibliothek aus bis zu 100 Millionen kurzen Peptiden in Kontakt gebracht werden. Ein einzelnes Peptid aus der Bibliothek kann von einer Zelle erkannt werden, die daraufhin grün aufleuchtet und so anzeigt, dass ihr TZR durch ein Antigen aktiviert wurde. Die Methode erlaubt es also, aus einer sehr großen Zahl von „Verdächtigen“, einen einzelnen „Missetäter“ relativ einfach zu identifizieren.

Ein erster Test mit einem bereits bekannten Grippe-Antigen bestätigte die Effizienz der Methode. Das Experiment war so geplant, als sei das Antigen unbekannt. Die Wissenschaftler konnten das „richtige“ Antigen dann zweifelsfrei identifizieren. „Die Technologie ist so empfindlich und schnell, dass mehrere Millionen Antigene in wenigen Stunden analysiert werden können – damit öffnet sich ein breites Anwendungsspektrum, das von der Analyse von Antigenen bei Autoimmunkrankheiten wie multipler Sklerose oder Schuppenflechte (Psoriasis) bis zur Identifizierung neuer Tumor- oder viraler Antigene reicht. Das Potenzial für mögliche Anwendungen ist beachtlich, sodass die Innovation bereits zum Patent angemeldet wurde. (göd)

Publikation:
„Unbiased identification of target antigens of CD8+ T cells with combinatorial libraries coding for short peptides“;
K. Siewert, J. Malotka, N. Kawakami, H. Wekerle, R. Hohlfeld  & K. Dornmair
Nature Medicine Advanced Online publication, 8.4.2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Was an der Oberfläche von Katalysatoren abläuft

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.04.2012

Mit Infrarot-Spektroskopie weisen Wissenschaftler Sauerstoff-Fehlstellen als aktive Zentren nach

Die heterogene Katalyse hat in der chemischen Industrie zentrale Bedeutung, etwa bei der Herstellung von Grund- und Feinchemikalien, in Abgaskatalysatoren oder zur chemischen Speicherung von Sonnenenergie. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben eine neue Messmethode der Infrarot-Spektroskopie entwickelt, um die Vorgänge an der Oberfläche von Oxiden zu untersuchen, die als Katalysatoren dienen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ vor.

Katalysatoren unterstützen viele chemische Reaktionen. Bei der heterogenen Katalyse liegen der als Katalysator dienende Stoff und die reagierenden Stoffe in verschiedenen Phasen vor – gewöhnlich ist der Katalysator ein Feststoff, die reagierenden Stoffe sind gasförmig. An der Oberfläche von katalytisch aktiven Feststoffen laufen hochkomplexe chemische Prozesse ab. Diese genau zu verstehen, ist unerlässlich, um Produkte weiter zu verbessern und Kosten zu senken. Bei Metallen sind die Prozesse schon gut bekannt. Die entsprechenden Umwandlungen an der Oberfläche von Oxiden – Verbindungen von Metallen oder Nichtmetallen mit Sauerstoff – sind hingegen noch weitgehend unerforscht.
 
Die Forscher um Professor Christof Wöll vom KIT und Professor Martin Muhler von der RUB untersuchten zunächst die Vorgänge an Oberflächen von Oxid-Einkristallen, um ihre Erkenntnisse dann auf Pulver, die technisch wichtigste Form von Oxidmaterialien, zu übertragen. Damit schlugen sie erstmals eine Brücke zwischen der Grundlagenforschung an Referenzsystemen und der angewandten Forschung an realen Katalysatoren. Ein neu entwickeltes Kombinationsgerät für die Infrarot-Spektroskopie (IR) ermöglichte dabei äußerst genaue Messungen der Schwingungsfrequenz von Kohlen-monoxid. Der genaue Wert dieser Schwingungsfrequenz reagiert sehr empfindlich auf Fehlstellen.
 
Solche Fehlstellen entstehen bei Oxidmaterialien durch das Entfernen einzelner Sauerstoffatome. „Als aktive Zentren verleihen Sauerstoff-Fehlstellen dem Material eine hohe katalytische Aktivität“, erklärt Professor Christof Wöll, Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT. Die Karlsruher und Bochumer Forscher entwickelten mit einem neuen Kombinationsgerät für die Infrarot-Spektroskopie ein Verfahren, das sie zunächst an Referenzsystemen eichten. Dann bestimmten sie mithilfe des Hochleistungs-FTIR-Spektrometers der Firma Bruker Optics (VERTEX-Serie) erstmals Fehlstellendichten für pulverförmige reale Katalysatoren.
 
Zur Demonstration ihrer neuen Methode verwendeten die Forscher Rutil, die bedeutendste Modifikation des Titandioxids (TiO2). „Dieses auch als Weißpigment und in der Fotokatalyse eingesetzte Material ist normalerweise chemisch sehr träge und wird erst durch die Sauerstoff-Fehlstellen katalytisch aktiv“, erklärt Professor Christof Wöll. Bisher ließen sich solche Fehlstellen für Pulvermaterialien nur indirekt nachweisen, wie Professor Martin Muhler von der RUB erläutert.
 
Die Forscher, unter ihnen auch Dr. Mingchun Xu, Dr. Heshmat Noei und Dr. Yuemin Wang von der RUB sowie Dr. Karin Fink vom Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT, folgten mit ihrer Methode dem von Nobelpreisträger Gerhard Ertl entwickelten Ansatz der „Surface Science“. Das Potenzial ihrer Methode demonstrierten die Wissenschaftler, indem sie die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplungsreaktion von Formaldehyd zu Ethylen untersuchten. Dabei bestätigte sich, dass die Dichte von Sauerstoff-Fehlstellen an der Oberfläche von r-TiO2-Nanopartikeln für die katalytische Aktivität des Oxidpulvers und damit die Ausbeute entscheidend ist. (or)

Publikation:
Mingchun Xu, Heshmat Noei, Karin Fink, Martin Muhler, Yuemin Wang, and Christof Wöll. The Surface Science Approach for Understanding Reactions on Oxide Powders: The Importance of IR Spectroscopy. Angewandte Chemie, online veröffentlicht am 5. April 2012. DOI: 10.1002/ange.201200585.

Externer Link: www.kit.edu