Archiv der Kategorie: Hochschule

Der kleinste mögliche Schalter

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Pressemitteilung der TU München vom 11.12.2011

Gezielter Protonentransfer in einem Molekül:

Miniaturisierung ist seit langem das Zauberwort in der Elektronik. Ins Extreme getrieben hat sie jetzt ein Physikerteam um Dr. Willi Auwärter und Professor Johannes Barth von der Technischen Universität München (TUM), die in der Publikation „Nature Nanotechnology“ einen neuartigen molekularen Schalter vorstellen. Entscheidend für die Funktionsweise des Schalters ist die Position eines einzelnen Protons in einem Porphyrinring mit einem Innendurchmesser von weniger als einem halben Nanometer. Vier unterschiedliche Zustände können die Wissenschaftler hier gezielt einstellen.

Porphyrine sind ringförmige Moleküle, die sehr flexibel ihre Struktur ändern können und sich deshalb für vielfältige Anwendungen eignen. Das Tetraphenylporphyrin ist keine Ausnahme: Es nimmt gerne eine Sattelform an und wird bei der Verankerung auf metallischen Oberflächen nicht in seiner Funktionalität eingeschränkt. Im Inneren des Moleküls befindet sich ein Paar von Wasserstoffatomen, die ihre Position zwischen zwei Konfigurationen wechseln können. Dieser Prozess findet bei Raumtemperatur unentwegt und rasend schnell statt.

Für ihr Experiment unterdrückten die Wissenschaftler diese spontane Bewegung, indem sie die Probe kühlten. So konnten sie den gesamten Vorgang im Einzelmolekül mit einem Rastertunnelmikroskop induzieren und beobachten. Das Mikroskop ist dafür besonders geeignet, weil es – im Gegensatz zu anderen Methoden – nicht nur Anfangs- und Endzustand festhalten kann; sondern es erlaubt den Physikern, die Wasserstoffatome direkt anzusteuern. In einem weiteren Schritt entfernten sie nun gezielt eines der beiden Protonen im Inneren des Porphyrinrings. Das Verbleibende kann daraufhin vier unterschiedliche Schalterpositionen besetzen. Ein winziger Strom, der durch die feine Spitze des Mikroskops fließt, stimuliert den Protonentransfer und stellt so eine bestimmte Konfiguration ein.

Die jeweiligen Positionen des Wasserstoffatoms beeinträchtigen zwar weder die grundsätzliche Struktur des Moleküls noch die Bindung an die metallische Oberfläche, dennoch sind die Zustände nicht völlig identisch. Dieser kleine, aber feine Unterschied und die Tatsache, dass der Vorgang beliebig wiederholbar ist, definieren einen Schalter, der sich mit bis zu etwa 500 Einstellungen pro Sekunde steuern lässt. Ausgelöst wird der Protonentransfer dabei von einem einzigen Tunnelelektron.

Das Schaltermolekül hat eine Fläche von einem Quadratnanometer und ist damit die kleinste bislang realisierte atomistische Schalteinheit. Die Physiker sind mit der Demonstration hochzufrieden, und freuen sich außerdem über die Einblicke in den Mechanismus der Protonenübertragung, die sie mit ihren Studien gewinnen konnten. Knud Seufert hat hierbei maßgebliche Experimente durchgeführt: „Einen vierfachen Schalter zu betätigen, indem man ein einzelnes Proton innerhalb eines Moleküls bewegt, ist wirklich faszinierend, und ein echter Schritt hin zu Technologien auf der Nanoskala.“

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt, No. 247299), des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und des Institute for Advanced Study der TU München.

Originalpublikation:
Willi Auwärter, Knud Seufert, Felix Bischoff, David Ecija, Saranyan Vijayaraghavan, Sushobhan Joshi, Florian Klappenberger, Niveditha Samudrala, and Johannes V. Barth A surface-anchored molecular four-level conductance switch based on single proton transfer Nature Nanotechnology, Advance Online Publication, 11 December 2011

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Krebs mit doppelfunktionalem Molekül aushungern

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 19.12.2011

Forschende der ETH Zürich haben einen neuen Ansatz entwickelt, um Krebs zu bekämpfen. Mit einem doppelfunktionalen Molekül werden Blutgefässe im Umfeld eines Tumors zum Absterben gebracht, wodurch der Tumor «ausgehungert» wird. Die neue Methode hat gegenüber bestehenden eine Reihe von Vorteilen.

Moderne Krebsmedikamente, die biotechnologisch hergestellt werden, basieren häufig auf Antikörpern. «Meistens kommen diese Antikörper unverändert zum Einsatz, was allerdings – mit wenigen Ausnahmen – nicht sehr effizient ist», sagt Dario Neri, Professor für Biomakromoleküle am Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der ETH Zürich. Ein bedeutender Trend in der Entwicklung von neuen Chemotherapeutika ist daher, die Antikörper zu «bewaffnen», beispielsweise indem man sie an einen zelltötenden Wirkstoff koppelt, um deren Effizienz zu erhöhen.

ETH-Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Neri haben in Zusammenarbeit mit Philochem, einer Start-up Firma der ETH Zürich einen solchen bewaffneten Antikörper entwickelt. In Laborversuchen konnten sie zeigen, dass damit behandelte krebskranke Mäuse rund doppelt solange überlebten als ohne Behandlung. Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit am 15. Dezember 2011 in der renommierten Fachzeitschrift «Angewandte Chemie International Edition».

Geringeres Risiko für Resistenzen

Prof. Neris vielversprechender Ansatz unterscheidet sich in mehreren Punkten von anderen sich in Entwicklung befindenden bewaffneten Antikörpern. Die Makromoleküle der ETH-Forscher richten sich nicht gegen Krebszellen direkt, sondern gegen neugebildete Blutgefässzellen im Umfeld des Tumors. Dadurch wird die Nährstoffzufuhr des Tumors unterbunden und dessen Wachstum gehemmt. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass sich damit nicht nur eine bestimmte Krebsart, sondern im Grundsatz alle Krebsarten bekämpfen lassen. Zudem erwarten die Forscher, dass die Krebszellen dadurch weniger schnell Resistenzen gegen Chemotherapeutika bilden.

Weitere Forschungsarbeit nötig

Zum Dritten sind in Prof. Neris neuem Ansatz Antikörper und pharmazeutischer Wirkstoff nicht über ein Bindemolekül verbunden, sondern über eine direkte chemische Bindung. «Dadurch wird die Synthese der Makromoleküle einfacher und besser kontrollierbar», sagt der Erstautor der Studie, ETH-Wissenschaftler Gonçalo Bernardes. Zudem entfielen dadurch eine Reihe von Problemen, die solche Bindemoleküle potenziell verursachen können.

«Mit der neuen Studie konnten wir zeigen, dass der neue Ansatz funktioniert», sagt Prof. Neri. In Mäusen angewandt, hatte das neue Makromolekül eine messbare krebshemmende Wirkung. Von Krebs geheilt wurden die Tiere allerdings nicht. «Bevor das neue Molekül in klinischen Versuchen bei Menschen getestet werden könne, ist daher noch weitere Forschungsarbeit nötig.»

Publikation:
Bernardes GJL, Casi G, Trüssel S, Hartmann I, Schwager K, Scheuermann J, Neri D: A Traceless Vascular Targeting Antibody-drug Conjugate for Cancer Therapy, Angewandte Chemie International Edition (2011) doi: 10.1002/anie.201106527

Externer Link: www.ethz.ch

Zeolith-Synthese leicht gemacht

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Presseinformation der LMU München vom 12.12.2011

Anwendungen in Chemie und Industrie denkbar

Zeolithe sind poröse Materialien, die dank ihrer gleichförmigen Poren und ihrer großen inneren Oberfläche wie Molekularsiebe wirken und etwa zur Luftfilterung und Reinigung von Wasser eingesetzt werden – nicht zuletzt auch zur Säuberung des radioaktiv verseuchten Meerwassers bei Fukushima. Weitere wichtige Anwendungen finden sich in der Katalyse sowie bei der Auftrennung und Adsorption von Stoffen. Einem Forscherteam um Professor Svetlana Mintova vom Laboratoire Catalyse et Spectrochimie im französischen Caen und den LMU-Chemiker Professor Thomas Bein ist es nun gelungen, einen der wichtigsten stabilen Zeolithe mit sehr großen Poren („EMT“) auf sehr einfache, kostengünstige und umweltfreundliche Weise herzustellen. Zeolithe bestehen aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen, können aber auf vielfältige Weise chemisch modifiziert werden. Über 200 Zeolithe sind bereits bekannt. Die neuen Zeolith-Nanokristalle könnten in ganz neuartigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Das Projekt wurde unter anderem durch das Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) gefördert. (Science online, 8. Dezember 2011)

Viele Zeolithe benötigen teure organische Agentien („Template“) in der Herstellung – was nun bei der neuartigen Synthese von EMT nicht mehr nötig ist. Dazu kommt, dass der Vorgang fast bei Raumtemperatur und in sehr kurzer Zeit abläuft, was die Synthese deutlich vereinfacht. „Dieser Syntheseweg erzeugt die bislang kleinsten Zeolith-Nanokristalle mit der großporigsten Struktur“, sagt Bein. „Das ist für Anwendungen sehr attraktiv, weil Moleküle kurze Wege haben, um in die Zeolithe einzudringen, wo dann die katalytischen Reaktionen ablaufen.“

Aber auch aus Umweltgesichtspunkten ist die Synthese der ultrakleinen EMT-Zeolithe von Vorteil, weil die Prozedur sehr viel weniger aufwändig ist, und auch keine Template mehr benötigt werden. „Wir vermuten, dass die ultrakleinen Zeolithe in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen werden“, so Bein. „Denkbar ist dies unter anderem bei der Katalyse mit großen Molekülen, bei der selektiven Adsorption von Stoffen und beim Design von Nanostrukturen wie ultradünnen Filmen, Membranen und chemischen Sensoren.“ (suwe)

Publikation:
„Capturing Ultrasmall EMT Zeolite from Template-Free Systems“;
Eng-Poh Ng, Daniel Chateigner, Thomas Bein, Valentin Valtchev, Svetlana Mintova;
Science online, 8. Dezember 2011;
doi: 10.1126/science.1214798

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Neue Forschungsansätze durch Nanobodies

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.12.2011

Kleinste Antikörperfragmente, sogenannt Nanobodies, lassen sich in der Forschung erfolgversprechend einsetzen. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat erstmals eine Methode entwickelt, mit der sich Nanobodies zur gezielten Beeinflussung und Steuerung von Proteinfunktionen im Körper einsetzen lassen. Die Forschungsergebnisse, die nun in der US-Zeitschrift Nature Structural and Molecular Biology veröffentlicht werden, können auch neue Möglichkeiten zur Behandlung schwerer Krankheiten liefern.

Während der Einsatz von Antikörpern in Forschung und Wissenschaft sowie im Rahmen medikamentöser Therapien bereits zur Routine geworden ist, finden sogenannte Nanobodies, kleinste Antikörperfragmente aus Kamelen, bislang in der Wissenschaft nur wenig Anwendung. Der Forschungsgruppe von Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel ist es nun gelungen, einen Nanobody, der gegen GFP (Green Fluorecent Protein) gerichtet ist, so zu funktionalisieren, dass er erfolgreich in der Grundlagenforschungsarbeit eingesetzt werden kann.

Dank dessen Eigenschaft, GFP Fusionsproteine abzubauen, konnten die Forschenden den Einfluss des Nanobodies auf die Proteinfunktion im lebenden Organismus verfolgen. Als Modell zur Untersuchung ihrer Methode diente die Fruchtfliege Drosophila. Die Forschungsergebnisse sind insofern von Bedeutung, als sich zukünftig mithilfe von Nanobodies Proteinfunktionen im lebenden Organismus schneller und gezielter untersuchen und steuern lassen als mit herkömmlichen Methoden.

Nanobody vs. Antikörper

Proteine im Zellinneren künstlich durch Antikörper zu inaktivieren, ist normalerweise nicht möglich, da Antikörper aus einer Kette von tausend Aminosäuren bestehen und in Zellen weder eintreten noch darin funktionieren. Nanobodies haben lediglich eine Grösse von etwa 100 Aminosäuren. Diese stark reduzierte Grösse und ihre Eigenschaft, sich im Zellinneren zu funktionsfähigen Proteinen zu falten, machen Nanobodies für die Grundlagenforschung so interessant.

Obwohl sie sich ebenso wie Antikörper zur Blockierung von Proteinfunktionen einsetzen lassen, fanden Nanobodies in der Wissenschaft bislang keine grosse Beachtung. Durch ein genetisch gesteuertes Verfahren hat Emmanuel Caussinus aus Affolters Forschungsgruppe nun eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe sich Nanobodies an andere Funktionen koppeln lassen, die es erlauben, Proteine in lebendigen Lebewesen durch die künstlich hergestellten GFP-Nanobodies gezielt zu steuern und zu regulieren. Nanobodies könnten nun für die Forschung, aber auch zu Therapiezwecken immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Therapiemöglichkeiten durch Nanobodies

Proteine sind ein Hauptbestandteil aller Lebewesen und halten sämtliche Lebensfunktion im Körper aufrecht. Fehlerhafte Proteine können zu Krankheiten führen. Als Immunantwort setzt der Organismus seine im Körper hergestellten Antiköper ein, um solch pathogene Eindringlinge zu bekämpfen. Sie sind zentraler Bestandteil des Immunsystems und können die fehlerhaften Proteine nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip gezielt ausschalten.

In der Medizin werden vielfach auch synthetisch hergestellte Antikörper eingesetzt, um so Krankheiten wie Asthma, Rheuma oder Krebs zu behandeln. Die Herstellung solcher Antikörper ist jedoch ein höchst aufwendiges und teures Verfahren. Nanobodies könnten den Einsatz solch synthetisch hergestellter Antikörper zukünftig nicht nur in der Forschung, sondern auch bei der Therapie von Krankheiten langfristig ablösen. Ihr Einsatz könnte zudem Therapien ermöglichen, die auf die Regulierung von zellinternen Proteinen abzielen, eine Anwendung, die mit konventionellen Antikörpern nicht möglich ist.

Originalbeitrag:
Emmanuel Caussinus, Oguz Kanca & Markus Affolter
Fluorescent fusion protein knockout mediated by anti-GFP nanobody
Nature Structural & Molecular Biology, Published online 11 December 2011 | doi: 10.1038/nsmb.2180

Externer Link: www.unibas.ch

Eine Glasfaser, die Atome zählt

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Presseaussendung der TU Wien vom 07.12.2011

Eine extrem empfindliche Methode zum Detektieren von Atomen wurde an der Technischen Universität (TU) Wien entwickelt.

Glasfaserkabel sind heute unverzichtbare Informationsleitungen für das Internet – nun dienen sie auch als Quanten-Labor. Das Atominstitut der TU Wien ist derzeit die einzige Forschungseinrichtung weltweit, an der einzelne Atome kontrolliert an das Licht in ultradünnen Glasfasern angekoppelt werden können. Spezielle Lichtwellen werden so präpariert, dass sie schon auf eine kleine Anzahl von Atomen sensibel reagieren. Damit lassen sich hochempfindliche Detektoren bauen, mit denen man winzige Stoffmengen nachweisen kann. Das Team um Professor Arno Rauschenbeutel, der eine von sechs Forschungsgruppen des Vienna Center for Quantum Science and Technology leitet, stellt seine Methode in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Physical Review Letters“ vor. Die Arbeit entstand in Kooperation mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, von der Rauschenbeutel im vergangenen Jahr nach Wien übersiedelt ist.

Ultradünne Glasfasern

Die Glasfasern, die Arno Rauschenbeutel für seine Experimente verwendet, sind nur fünfhundert Millionstel eines Millimeters dick – und damit dünner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. „Die Lichtwelle passt also eigentlich nicht vollständig in die Glasfaser, sie reicht noch ein Stück aus der Glasfaser heraus“, erklärt Rauschenbeutel. Genau darin liegt der große Vorteil: Die Lichtwelle registriert Atome, die sich außen in der Nähe der Glasfaser befinden. „Zuerst fangen wir Atome ein, sodass sie sich knapp oberhalb und unterhalb an der Glasfaser aufreihen, wie Perlen einer Kette“, erzählt Rauschenbeutel. Die Lichtwelle, die durch die Glasfaser geschickt wird, kommt dann mit jedem einzelnen der Atome in Kontakt. Wenn man genau misst, wie sich die Lichtwelle verändert, lässt sich herausfinden, wie viele Atome sich angelagert haben.

Atome ändern die Geschwindigkeit des Lichts

Meist gehen auf der mikroskopischen Ebene sehr folgenschwere Prozesse vor sich, wenn man in der Quantenphysik Atome und Licht untersucht: Lichtteilchen können von den Atomen absorbiert und später in eine andere Richtung wieder ausgesandt werden, Atome werden dadurch beschleunigt und von ihrem Ursprungsort weggeschleudert. Bei den Glasfaser-Experimenten an der TU Wien reicht allerdings eine vergleichsweise sanfte Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen aus: „Durch die Atome an der Glasfaser bewegt sich die Lichtwelle nicht mehr so schnell wie sonst, sondern etwas langsamer“, erklärt Arno Rauschenbeutel. Wenn die Lichtwelle genau nach oben und unten in Richtung der Atome schwingt, werden Wellenberge und Wellentäler dadurch ein kleines Bisschen verschoben. Eine andere Lichtwelle, in deren Schwingungsebene keine Atome liegen, wird hingegen kaum verzögert. Man sendet also Lichtwellen unterschiedlicher Schwingungsrichtung durch die Glasfaser und misst ihre relative Verschiebung aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Kennt man diese Verschiebung, dann weiß man auch, von wie vielen Atomen das Licht verzögert wurde.

Einzelne Atome messbar machen

Derzeit positioniert das Quantenphysik-Team von Arno Rauschenbeutel hunderte bis tausende Atome in einem Abstand von weniger als einem Tausendstel Millimeter zur Glasfaser. Mit den Lichtstrahlen kann dann ihre Anzahl auf wenige Atome genau bestimmt werden. „Im Prinzip ist unsere Methode so präzise, dass sie schon auf zehn bis zwanzig einzelne Atome ansprechen kann“, meint Arno Rauschenbeutel. „Wir arbeiten noch an weiteren technischen Tricks – etwa an der Verringerung des Abstandes zwischen der Glasfaser und den Atomen. Wenn uns das gelingt, sollte es möglich sein, sogar einzelne Atome zuverlässig nachzuweisen.“

Sanfte Quanten-Messung

Nicht nur für die Entwicklung von Sensoren, auch für die quantenphysikalische Grundlagenforschung ist die Glasfaser-Methode wichtig. „Normalerweise geht bei einer Messung der quantenphysikalische Zustand eines Systems verloren, weil der Messvorgang einen starken Einfluss auf das Quanten-Objekt hat“, erklärt Arno Rauschenbeutel. „Unsere Glasfasern eröffnen die Möglichkeit, Quantenzustände zerstörungsfrei nach Belieben zu kontrollieren.“ Zum Beispiel kann mit Hilfe der Atome an der Glasfaser die Schwingungsrichtung von einzelnen Lichtteilchen genau gesteuert werden. Zu welchen technologischen Anwendungen das führen könnte, ist heute noch gar nicht absehbar. „Die Quantenoptik ist heute eine weltweit aufmerksam beachtete und äußerst innovative Disziplin – und die Wiener Forschungsgruppen in diesem Bereich spielen hier auf höchstem internationalen Niveau mit“, sagt Arno Rauschenbeutel. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at