Archiv der Kategorie: Hochschule

Ein molekularer Wegweiser

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Presseinformation der LMU München vom 18.05.2011

Proteinkomplex übernimmt Doppelrolle bei Gen-Expression

Die Umsetzung der in der Erbsubstanz DNA festgelegten genetischen Information ist ein hoch komplexer Prozess, der in eukaryotischen Zellen zeitlich und räumlich getrennt abläuft: Im Zellkern wird die DNA abgelesen und in das Botenmolekül mRNA übersetzt – dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet. Anschließend verlässt die mRNA den Zellkern in Richtung Cytoplasma, wo die entsprechenden Proteine produziert werden. Eine entscheidende Rolle bei diesen Vorgängen spielt der TREX-Komplex, der die Transkription mit dem mRNA-Export ins Cytoplasma koppelt. Bisher war allerdings völlig unklar, wie TREX an die DNA-Sequenzen dirigiert wird, die gerade abgelesen werden. Ein Team um die LMU-Biologin Dr. Katja Sträßer vom Genzentrum der LMU konnte nun den ersten Faktor identifizieren, der hierfür notwendig ist: Der Proteinkomplex Prp19, der bisher nur für seine essenzielle Rolle beim „Zurechtschneiden“ der mRNA bekannt war, hat offensichtlich eine Doppelfunktion und ist auch für die Rekrutierung von TREX zuständig. (Genes & Development, Mai 2011)

Die fadenförmige DNA im Zellkern enthält die Bauanleitung für die Funktionsträger der Zelle: die Proteine. Diese genetische Information wird in der sogenannten Transkription in das Botenmolekül mRNA übersetzt. Die mRNA überbringt die Information aus dem Zellkern ins Zytoplasma, wo das entsprechende Protein produziert wird. Die einzelnen Schritte dieser sogenannten Genexpression sind jeder für sich bereits gut untersucht. „Aber die verschiedenen Schritte dieses Prozesses laufen nicht separat ab, sondern sie sind miteinander verbunden“, erklärt Sträßer. Eine wichtige Rolle spielt dabei der sogenannte TREX-Komplex, der die Transkription mit dem Export der synthetisierten mRNA koppelt und so die Genexpression effizienter macht. Dies gelingt TREX, indem der Komplex sowohl mit der Transkriptionsmaschinerie interagiert, als auch bestimmte Exportmoleküle rekrutiert, die die mRNA ins Cytoplasma schleusen. Die Funktionsweise von TREX ist ein Schwerpunkt von Sträßers Forschung, die bereits an der Entdeckung dieses Komplexes beteiligt war. TREX kommt vom Einzeller bis zum Menschen in allen Organismen vor – dieser hohe Konservierungsgrad unterstreicht die Wichtigkeit des Komplexes, der sich im Lauf der Evolution kaum verändert hat. „Bisher war aber völlig unbekannt, wie der TREX-Komplex an das abzulesende Gen rekrutiert wird“, erklärt Sträßer. Nun konnte die Biologin mit ihrem Team den ersten Faktor identifizieren, der diese Aufgabe erfüllt: Zur Überraschung der Wissenschaftler übernimmt der Proteinkomplex Prp19, der bisher lediglich für seine Rolle beim Spleißen der neu produzierten RNA bekannt war, auch diese zweite Funktion. Beim Spleißen werden die Abschnitte der neu entstandenen RNA entfernt, die für die Produktion des jeweiligen Proteins nicht benötigt werden. In seiner neu entdeckten Funktion als molekularer Wegweiser für TREX interagiert Prp19 sowohl mit TREX als auch mit dem Enzym RNA-Polymerase II, das die Synthese der RNA katalysiert. Prp19 ist dabei essenziell notwendig, damit TREX sich an die abgelesenen Gene anheften und die volle Transkriptionsaktivität erreicht werden kann. Nun will die Wissenschaftlerin weiter untersuchen, welche Mechanismen bei der Interaktion von TREX und Prp19 genau ablaufen, „denn nach wie vor gibt es dabei viele offene Fragen“, sagt Sträßer. (göd)

Publikation:
„The Prp19 complex is a novel transcription elongation factor required for TREX occupancy at transcribed genes“;
S. Chanarat, M. Seizl, K. Sträßer;
Genes & Development
16. Mai 2011
doi: 10.1101/gad.623411

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Karlsruher Tarnkappe: „Sichtbar verschwinden“

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.05.2011

CFN-Wissenschaftler am KIT realisieren optische Tarnung im für Menschen wahrnehmbaren Bereich des Lichts

„Mit den eigenen Augen etwas Unsichtbares zu sehen, ist eine spannende Erfahrung“, so Joachim Fischer und Tolga Ergin. Die beiden Physiker haben am Center for Functional Nanostructures (CFN) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in der Arbeitsgruppe von Professor Martin Wegener fast ein Jahr daran gearbeitet, die Struktur der Karlsruher Tarnkappe so zu verfeinern, dass sie auch in einem für den Menschen sichtbaren Bereich des Lichts wirkt.

Tarnkappen funktionieren, indem Lichtwellen in ihrem Material so gelenkt werden, dass sie die Tarnkappe wieder verlassen, als ob sie nie mit dem zu tarnenden Objekt in Berührung gekommen wären – das Objekt ist somit für den Betrachter unsichtbar. Die exotischen optischen Eigenschaften des Tarnmaterials werden mit komplexen mathematischen Werkzeugen berechnet, die denen der Einsteinschen Relativitätstheorie ähneln.

Erreicht werden diese durch eine spezielle Strukturierung des Tarnmaterials. Sie muss kleiner als die Wellenlänge des Lichts sein, das abgelenkt werden soll. So kann beispielsweise für die relativ großen Rundfunk- oder Radarwellen ein Material verwendet werden, „das fast mit der Nagelschere produziert werden kann“, so Wegener. Bei Wellenlängen, die für das menschliche Auge sichtbar sind, müssen dagegen Materialien mit Strukturierung im Nanometerbereich hergestellt werden.

Die winzige Tarnkappe, die Fischer und Ergin nun erzeugt haben, ist kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie lässt eine Wölbung in einem Metallspiegel flach erscheinen und dadurch ein darunter verstecktes Objekt unsichtbar werden. Das Metamaterial, das über diese Wölbung gelegt wird, sieht wie ein Holzstapel aus, besteht jedoch aus Kunststoff und Luft. Die „Holzscheite“ verfügen über präzise festgelegte Stärken im Bereich von 100 Nanometern. Durch sie werden Lichtwellen, die die Wölbung normalerweise ablenkt, so beeinflusst und geführt, dass das reflektierte Licht dem eines flachen Spiegels entspricht.

„Würden wir es noch mal schaffen, den Strukturierungsabstand des roten Tarnmantels zu halbieren, hätten wir eine Tarnkappe, die das ganze sichtbare Lichtspektrum abdeckt“, so Fischer.

Bereits im vergangenen Jahr präsentierte die Gruppe Wegener in der renommierten Fachzeitschrift Science die erste 3D Tarnkappe. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es lediglich Tarnkappen in Wellenleitern, die praktisch zweidimensional waren. Sobald man aus der dritten Dimension auf die Struktur schaute, war die Wirkung dahin. Die Karlsruher Tarnkappe konnte mit einer entsprechend filigranen Strukturierung für einen Wellenlängenbereich von 1500 bis 2600 Nanometern konstruiert werden. Dieser Wellenlängenbereich ist für das menschliche Auge noch nicht wahrnehmbar, spielt jedoch in der Telekommunikation eine große Rolle. Den Durchbruch ermöglichte das am CFN entwickelte Verfahren des Direkten Laser Schreibens (DLS). Mit diesem Verfahren können winzige 3D-Strukturen mit optischen Eigenschaften erzeugt werden, die es in der Natur nicht gibt – sogenannte Metamaterialien.

Die KIT-Wissenschaftler verbesserten im vergangenen Jahr das ohnehin schon extrem feine Verfahren des Direkten Laser Schreibens weiter. Dabei benutzten sie Methoden aus der Mikroskopie, welche dort zu fundamentalen Auflösungsverbesserungen geführt haben. Damit hatten sie das entscheidende Werkzeug zur Hand, das Metamaterial um einen Faktor 2 zu verfeinern und so die erste 3D-Tarnkappe für unpolarisiertes sichtbares Licht im Bereich von 700 Nanometern zu realisieren. Dies entspricht der Farbe rot.
 
„Die nun entwickelte Tarnkappe ist ein attraktives Demonstrationsobjekt für die fantastischen Möglichkeiten, welche das recht neue Gebiet der Transformationsoptik und ihrer Metamaterialien offeriert. In den vergangenen Jahren haben sich hier Gestaltungsspielräume eröffnet, die lange für nicht möglich gehalten wurden“, so Ergin. „Wir erwarten dramatische Verbesserungen in den lichtbasierten Technologien, wie Linsen, Solarzellen, Mikroskopen, Objektiven, der Chip-Herstellung und der Datenkommunikation.“ (te)
 
Literatur:
J. Fischer, T. Ergin, and M. Wegener, „Three-dimensional polarization-independent visible-frequency carpet invisibility cloak“, Optics Letters, in press

Externer Link: www.kit.edu

Quanten-Zwillinge aus dem Atomchip

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Presseaussendung der TU Wien vom 01.05.2011

An der Technischen Universität (TU) Wien ist es gelungen, durch ausgeklügelte Atom-Chips quantenphysikalisch verknüpfte Atom-Zwillinge zu erzeugen. Bisher waren ähnliche Experimente nur mit Lichtteilchen möglich.

Objekte, die voneinander weit entfernt sind, sich aber trotzdem nicht getrennt voneinander verstehen und beschreiben lassen – sie gehören zu den erstaunlichsten Merkwürdigkeiten der Quantenphysik. Photonenpaare, wie sie in speziellen Kristallen erzeugt werden sind ein prominentes Beispiel (down conversion Kristall – optische parametrische Oszillatoren). Durch sie kann man Quantenzustände teleportieren oder Daten mittels Quantenkryptografie abhörsicher übertragen. In Zukunft werden solche Experimente nicht nur mit Lichtteilchen möglich sein: An der TU Wien wurde nun mithilfe von ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten eine Methode entwickelt, korrelierte Atompaare zu erzeugen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Getrennt und doch vereint

Schon Einstein wollte nicht so recht daran glauben, dass voneinander getrennte Teilchen quantenphysikalisch verbunden sein können und nannte solche Phänomene „spukhafte Fernwirkung“. Doch seither wurden die überraschenden Schlussfolgerungen der Quantentheorie immer wieder bestätigt: Quantenteilchen können – auch wenn sie weit voneinander entfernt sind – noch immer zusammengehören und sich gewisse physikalische Eigenschaften „teilen“. „Das bedeutet nicht, dass man durch Manipulation am einen Teilchen auch das andere  verändern könnte, als wären sie durch einen unsichtbaren Faden miteinander verbunden“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „Aber trotzdem muss man beide Teilchen als ein Quantensystem gemeinsam betrachten – und das gibt uns Möglichkeiten für spannende Experimente.“ Jörg Schmiedmayers Forschungsgruppe führte die Arbeiten an der TU Wien durch, unterstützt von theoretischen Berechnungen von Ulrich Hohenester an der Karl-Franzens-Universität Graz.

Energie- und Impulserhaltung

Um die quantenphysikalisch korrelierten Atome zu erzeugen, stellte man zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat her. Dieser exotische Materiezustand stellt sich bei extrem tiefen Temperaturen ein – einige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In einem Bose-Einstein-Kondensat befinden sich alle Atome im niedrigst-möglichen Energiezustand. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in unseren Atom-Chips“ erklärt Thorsten Schumm (TU Wien). Mit diesen maßgeschneiderten Chip-Strukturen können Atome ganz gezielt manipuliert und gesteuert werden. So ist es möglich, den Atomen des ultrakalten Bose-Einstein-Kondensates gezielt ein Quantum Schwingungsenergie zuzuführen. Wenn die Atome dann wieder in den Zustand niedrigster Energie zurückkehren, muss das Kondensat die überschüssige Energie wieder loswerden. „Durch ein ausgeklügeltes Design unseres Atom-Chips hat das Bose-Einstein-Kondensat nur eine einzige Möglichkeit, Energie abzugeben: Die Aussendung von Atom-Paaren. Alle anderen Varianten sind quantenphysikalisch verboten“, erklärt Robert Bücker (TU Wien). Nach dem Gesetz der Impulserhaltung bewegen sich die beiden ausgesandten Atome dann in genau entgegengesetzte Richtungen auseinander. Der Prozess ist analog zu dem Effekt, der in speziellen nicht-linearen Kristallen bei der Erzeugung von Lichtteilchen-Paaren auftritt (optischer parametrischer Oszillator), aber nun funktioniert er nicht nur für Licht sondern auch für Materieteilchen.

Grundlagenforschung in Wien

Die ausgesandten Atom-Zwillinge kann man sich aber nicht einfach wie klassische Partikel vorstellen, wie sie etwa bei einer Explosion in alle Richtungen davonfliegen. Sie sind quantenphysikalische Kopien voneinander und unterscheiden sich nur durch die entgegengesetzte Bewegungsrichtung. Sie bilden quasi ein gemeinsames Quanten-Objekt – ein Atom kann nicht mathematisch beschrieben werden, ohne gleichzeitig auch das andere zu beschreiben. „Diese Atome werden wir in Zukunft für spannende Versuche nützen“, ist Jörg Schmiedmayer zuversichtlich. „Ein unglaublich aufregendes Forschungsgebiet tut sich hier auf. Welche neuen Erkenntnisse oder Anwendungsmöglichkeiten sich daraus ergeben werden, ist heute noch gar nicht absehbar. Es ist gut vorstellbar, dass durch diese korrelierten Atomstrahlen neue Quanten-Messverfahren ermöglicht werden, mit einer Präzision, die die Möglichkeiten der klassischen Physik bei weitem übersteigt.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
R. Bücker et al., Twin-atom beams, Nature Physics, Advance Online Publication 01 May 2011.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Vom Stallstaub zu Nasentropfen

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 04.05.2011

Kapitalgeber fördern Medikamentenentwicklung

Protectimmun: Erfolgreiche Vermarktung von RUB-Forschungsergebnissen

Die Vermarktung Bochumer Forschungsergebnisse zu einem wirksamen Medikament für die Allergievorbeugung bei Kindern kommt voran: Die Protectimmun GmbH, eine Ausgründung aus der Ruhr-Universität Bochum, erhält insgesamt 1,3 Millionen Euro von Investoren. Der Hightech-Gründerfonds (HTGF), der von EnjoyVenture gemanagte ELS-Fonds und die KfW-Bankengruppe unterstützen das junge Unternehmen bei der Entwicklung von Nasentropfen zur gezielten Prävention von Heuschnupfen und allergischem Asthma. Grundlage sind wissenschaftliche Ergebnisse der RUB und des Forschungszentrums Borstel. Die Forscher identifizierten erfolgreich den Stoff im Stallstaub, der Landkinder vor Allergien schützt.

Präklinische Studien zügig umsetzen

„Wir freuen uns sehr, diese erfahrenen Investoren in unser Unternehmen einbinden zu können“, so Dr. Marion Kauth, Geschäftsführerin und Mitgründerin von Protectimmun. „Die finanziellen Mittel unterstützen uns bei der zügigen Umsetzung der notwendigen präklinischen Studien.“ Protectimmun entwickelt ein Medikament, das Kinder vor der Entstehung von Heuschnupfen und allergischem Asthma lang anhaltend bewahren soll. Es basiert auf natürlichen Substanzen und Bakterien aus dem bäuerlichen Milieu – unter anderem auf Arabinogalaktan. Das ist ein pflanzliches Zuckermolekül, das das Immunsystem an überschießenden Abwehrreaktionen hindert, wenn es im ersten Lebensjahr in hoher Konzentration eingeatmet wird. Das Molekül kommt in großen Mengen in Futterpflanzen wie dem Wiesenfuchsschwanz (Alopecurus pratensis) vor. Der „Proof-of-Concept“ im Tiermodell für die angestrebte Allergieprophylaxe liegt bereits vor. Nach Abschluss weiterer toxikologischer Studien kann voraussichtlich 2013 der Eintritt in die klinische Phase erfolgen.

Protectimmun: Aus der Forschung entstanden

Das biopharmazeutische Unternehmen Protectimmun ist aus einer Forschungskooperation der Ruhr-Universität Bochum, Abteilung für Experimentelle Pneumologie (Prof. Dr. Albrecht Bufe) und dem Forschungszentrum Borstel in Schleswig-Holstein, Strukturbiochemie (Prof. Dr. Otto Holst) entstanden. Die wegweisenden Forschungsergebnisse der beteiligten Wissenschaftler bilden die Grundlage der Produktentwicklung. Zudem nutzt die Firma die Laborräume der Experimentellen Pneumologie im Universitätsklinikum Bergmannsheil für die weitere Forschung. Protectimmun wurde 2007 gegründet und setzte sich 2008 erfolgreich im Businessplanwettbewerb „ruhr@venture“ des Gründercampus Ruhr durch. (Jens Wylkop)

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

Neue Methode zur Behandlung von Jeansstoffen

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Presseinformation der Universität Innsbruck vom 03.05.2011

Textilwissenschaftler der Uni Innsbruck haben eine umweltfreundlichere Methode entwickelt, um Jeansstoffe zu behandeln. Das Verfahren ist bereits marktreif und schont nicht nur die Umwelt, sondern schützt auch die Gesundheit von Textilarbeiterinnen und -arbeitern.

Jeans sind die am weitesten verbreitete Hosenart – jährlich werden mehrere Milliarden Kleidungsstücke aus dem Jeansstoff Denim produziert. Was nur wenige wissen: Die Herstellung ist für die Arbeiterinnen und Arbeiter zum Teil stark gesundheitsgefährdend. Innsbrucker Forscher haben nun eine Methode entwickelt, die sowohl die Umwelt als auch die Gesundheit der Textilarbeiter schont. „Weltweit werden jedes Jahr geschätzte drei Milliarden Laufmeter Stoff und mehr als vier Milliarden Kleidungsstücke aus Denim produziert“, erklärt Thomas Bechtold die Bedeutung dieser Entdeckung. Er ist Leiter des Forschungsinstituts für Textilchemie und Textilphysik, an dem die Forschung dazu stattfand. Um Bluejeans herzustellen, wird der Denim-Stoff mit dem organischen Farbstoff Indigo behandelt.

Umstrittene Sandstrahlen

„Ein wichtiger Schritt bei der Bearbeitung von mit Indigo gefärbten Textilien wie Jeans ist der Wasch- und Bleichvorgang, der letztlich das ausgewaschene Aussehen von Jeans verursacht“, sagt Thomas Bechtold. „Dazu benutzen Hersteller heute meist große Waschmaschinen und Chemikalien.“ Chemische Oxidationsmittel wie Natriumhypochlorit sind beim Bleichprozess am weitesten verbreitet. Ebenfalls verbreitet und sehr umstritten ist der Einsatz von Sandstrahlern, um bei neuen Stoffen den Effekt von älteren, bereits getragenen Jeans zu erzielen: Durch den dabei entstehenden feinen Staub erkranken viele Arbeiter an der Lunge, weshalb diese Methode in zahlreichen Ländern bereits verboten ist. In Entwicklungs- und Schwellenländern wie Bangladesch, Ägypten, China, Brasilien, Mexiko und der Türkei werden Sandstrahler aber nach wie vor bei der Jeansproduktion eingesetzt.

Die Indigo-Färbung bei Denim-Stoffen setzt nur an den äußeren Schichten des Stoffs an – und genau das machen sich die Innsbrucker Textilwissenschaftler zunutze: Sie haben eine Oberflächenbehandlung in Form einer auf den Stoff aufzutragenden Paste entwickelt, für die weit weniger Chemikalien für den gleichen Effekt benötigt werden. „Unsere Methode senkt nicht nur den Bedarf an Chemikalien, sondern kann auch die für die Arbeiter extrem ungesunde Bearbeitung durch Sandstrahlen ersetzen“, sagt Thomas Bechtold. „Die Paste ist so auch wesentlich umweltfreundlicher, weil weniger Chemikalien benötigt werden.“

Patent der Universität

Die Forschung wurde im wesentlichen im am Institut für Textilchemie und Textilphsyik angesiedelten Christian-Doppler-Laboratorium für Chemie Cellulosischer Fasern und Textilien durchgeführt. Das entwickelte Verfahren verbindet Kenntnisse aus zwei Fachbereichen der Enzymtechnik (Cellulasen) und der Denimproduktion. Die von der Uni Innsbruck 2007 zum Patent angemeldete und inzwischen patentierte Entwicklung ist marktreif und die Umsetzung in die Praxis ist geplant – mit einem Unternehmen der Denim-Wäscherei wurde bereits eine erste Kooperationsvereinbarung abgeschlossen.

Externer Link: www.uibk.ac.at