Neues Verfahren zur schnelleren und einfacheren Herstellung lipidierter Proteine

Presseaussendung der TU Graz vom 11.10.2019

An der TU Graz und Uni Wien entwickelte Methode führt zu besserem Verständnis natürlicher Proteinveränderungen und zur Verbesserung von Proteintherapeutika.

Manche körpereigenen Proteine bestehen nicht nur aus Aminosäuren, sondern sind auch mit fettartigen Lipidketten dekoriert, die die biologischen Funktionen des Proteins maßgeblich beeinflussen. So ist das für die Entstehung vieler Krebsarten mitverantwortliche Protein Ras beispielsweise nur dann aktiv und krebsverursachend, wenn es sich durch einen „Fettanker“ an Membrane binden kann.

Grundlagenforschung als Basis für medizinischen Fortschritt

Ein besseres Verständnis dieser körpereigenen Prozesse kann die Entwicklung neuer Medikamente und Krebstherapien wesentlich beschleunigen. Bisherige Untersuchungsverfahren sind sehr aufwändig und kostenintensiv. Im Journal of the American Chemical Society (JACS) präsentieren Rolf Breinbauer vom Institut für Organische Chemie der TU Graz und Christian Becker vom Institut für Biologische Chemie der Universität Wien nun eine vielfach einfachere und direktere Methode, um Lipide in Proteine einzuführen.

Edelmetall für die Proteinmodifikation

Konkret nutzen die Forscher das Edelmetall Palladium als Katalysator, um Lipide an Proteine „anzuhängen“. Eine entscheidende Rolle dabei kommt dem Ligand Biphephos zu, wie Breinbauer erklärt: „Insgesamt haben wir fünfzig verschiedene Liganden getestet. Biphephos war sozusagen das Missing Link. Es verfügt über jene Selektivität, die es braucht, damit Palladium die Lipidierung der Schwefel-haltigen Aminosäure Cystein ermöglicht.“

Proteinchemiker Christian Becker übertrug die Ergebnisse auf Proteine und konnte die gleichen Erfolge vorweisen: „Die hervorragende Selektivität des neuen Katalysators und die robuste Reaktion ermöglichen die schnelle Modifikation einer Vielzahl von Cystein-haltigen Peptiden und Proteinen für die biomedizinische Forschung.”

Medizinische Anwendung

Die Dekoration von Proteinen mit Medikamenten und anderen Molekülen, um diese gezielt in den Körper zu liefern und dort aktiv zu halten, ist ein heute in der Medizin häufig angewendetes Verfahren. Die von Breinbauer und Becker entwickelte Methode könnte nun dafür genutzt werden, solche Moleküle mit hoher Effizienz und gezielt in Proteine einzuführen. Breinbauer ist zuversichtlich, dass diese Methode bald angewendet werden wird, denn „die von uns verwendeten Reagenzien lassen sich sehr einfach herstellen oder sind käuflich erwerblich.“ (Christoph Pelzl)

Externer Link: www.tugraz.at

Zum Schutz der schwächsten Verkehrsteilnehmer – Sicheres Automatisiertes Fahren mit Künstlicher Intelligenz

Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 11.10.2019

Forschungs- und Testzentrum CARISSMA der Technischen Hochschule Ingolstadt stellt aktuelle Projekte zum Fußgängerschutz und die Testanlagen der Zukunft vor

Wer schon einmal scharf bremsen musste, weil ein spielendes Kind plötzlich auf die Straße gelaufen ist, der weiß, welch hohes Risiko eine verzögerte Reaktion bergen kann. Automatisierte Fahrzeuge erkennen gefährliche Situationen schneller und zuverlässiger als der Fahrer und reagieren rechtzeitig durch Bremsen oder Lenken. Das Forschungs- und Testzentrum CARISSMA der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI) arbeitet daran, mithilfe Künstlicher Intelligenz kritische Verkehrssituationen zu erkennen und geeignete Maßnahmen einzuleiten.

Schutz von Fußgängern: Vorausschauende Gefahrenerkennung (Pre-Crash)

Eine besondere Berücksichtigung erfährt in der Forschung von CARISSMA der Schutz der Schwächsten, die sogenannten ungeschützten Verkehrsteilnehmer (Vulnerable Road User, VRU). So ermitteln die Wissenschaftler mit Einsatz von Künstlicher Intelligenz die Bewegungsintentionen von Fußgängern, damit automatisierte Fahrzeuge in kritischen Situationen schnell reagieren können. Damit sollen Unfälle vermieden oder die Unfallfolgen für die Beteiligten minimiert werden.

Mit eigens entwickelten Fußgänger-Dummys testen die Wissenschaftler kritische Verkehrssituationen unter reproduzierbaren Bedingungen. Dadurch kann Künstliche Intelligenz wiederum trainiert werden. Das realitätsgetreue Verhalten eines Dummys hinsichtlich Bewegung und sensoriellen Reflexionsverhaltens ist für die korrekte Interpretation kritischer Situationen und der Bewegungsprädiktion von elementarer Bedeutung. So entwickelten die Wissenschaftler in CARISSMA eine Dummy-Familie mit künstlichen Muskeln, die vollständig auf den Einsatz von metallischen Komponenten verzichtet und damit im Hinblick auf das Radar-Reflexionsverhalten dem eines echten Menschen entspricht.

Bei dem neu entwickelten Kinder-Dummy steht die Implementierung des realen kindlichen Bewegungsverhaltens im Vordergrund. Für den analog zum Erwachsenen-Dummy aufgebauten Kinder-Dummy analysierten und adaptierten sie das Bewegungsverhalten von Kindern: Mit speziellen Bewegungserfassungs-Sensoren (Engl.: Motion Capture Sensors), die während des Gehens an den Körpern der Kinder angebracht wurden, untersuchten sie das Bewegungsverhalten und schufen so eine Referenz für den Kinder-Dummy. So konnten sie ein kinderähnliches Bewegungsverhalten auf den Dummy übertragen. Der Kinder-Dummy erlaubt das Verhalten der Kinder in kritischen Situationen nachzustellen und für die Sicherheitssysteme berechenbar zu machen. So tragen intelligente Fahrzeuge dazu bei, dass sich Kinder im zukünftigen Straßenverkehr sicher bewegen – für uns alle ein gutes Gefühl.

Testverfahren mit authentischen Witterungsbedingungen

Ein besonderes Anliegen von CARISSMA ist es, dass diese Schutzsysteme zuverlässig und möglichst schnell in allen Fahrzeugen verfügbar sind und so viele Leben retten. Hierfür werden in der CARISSMA-Indoor-Versuchshalle für automatisierte Fahrversuche (100 m x 30 m) auf dem Campus der THI einzigartige Versuchsbedingungen geschaffen, die kritischen Situationen in der Realität sehr nahekommen. So wurde von den Wissenschaftlern eine Wetteranlage entwickelt, die es ermöglicht, realitätsgetreuen Nebel und Regen zu erzeugen und damit reproduzierbare Sensor- und Systemtests durchführen zu können – auch in Kombination mit unterschiedlichen Lichtverhältnissen. Dazu haben die Forscher in der Natur vorkommenden Nebel und Regen vermessen und mit den exakt gleichen Charakteristika (Tröpfchengröße, -dichte, -verteilung etc.) nachgebildet. So können bei den Indoor-Fahrversuchen mit Fußgängern authentische Witterungsbedingungen beliebig oft nachgestellt werden.

Einsatz Künstlicher Intelligenz in sicherheitskritischen Anwendungen

Ebenso wie der Mensch lernen automatisierte Fahrzeuge und Testsysteme, mit Hilfe künstlicher Intelligenz kritische Situationen zu erkennen und unfallvermeidende Maßnahmen einzuleiten. CARISSMA forscht gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum für Künstliche Intelligenz AININ mit Sitz an der THI an neuartigen Algorithmen und Methoden für die effiziente Implementierung und Nachvollziehbarkeit selbstlernender Systeme. Der Entwurf und die Validierung von sicheren maschinellen Lernverfahren sind eine Voraussetzung für den Einsatz Künstlicher Intelligenz in sicherheitskritischen Anwendungen, wie dem autonomen Fahren.

Externer Link: www.thi.de

Bioprinting: Lebende Zellen im 3D-Drucker

Presseaussendung der TU Wien vom 21.10.2019

Mit einem neuen Verfahren der TU Wien lassen sich lebende Zellen in feine Strukturen aus dem 3D-Drucker einbauen – extrem schnell und hochausflösend.

Wie sich Zellen verhalten und wie neues Gewebe entsteht, lässt sich besonders gut steuern und untersuchen, wenn man die Zellen in ein feines Gerüst einbettet. Das gelingt mit Hilfe von „Bioprinting“ – darunter versteht man spezielle additive 3D-Druckverfahren. Dabei stößt man allerdings auf eine Reihe von Herausforderungen: Manche Verfahren sind sehr unpräzise oder erlauben nur ein sehr enges Zeitfenster, in dem die Zellen verarbeitet werden können, ohne dass sie Schaden nehmen. Außerdem müssen die verwendeten Materialien während und auch nach dem 3D-Biopriting Prozess zellfreundlich sein – das schränkt die Auswahl möglicher Materialien empfindlich ein.

An der TU Wien wurde nun ein hochauflösender Bioprinting-Prozess mit völlig neuen Materialien entwickelt: Dank einer speziellen „Bio-Tinte“ für den 3D-Drucker lassen sich Zellen nun direkt während des Herstellungsvorgangs in eine mikrometergenau gedruckte 3D-Matrix einbetten – und das mit einer Druckgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde, um Größenordnungen schneller als es bisher möglich war.

Auf die Umgebung kommt es an

„Wie sich eine Zelle verhält, hängt ganz entscheidend von den mechanischen und chemischen Eigenschaften sowie von der Geometrie ihrer Umgebung ab“, erklärt Prof. Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe 3D Printing and Biofabrication am Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Die Strukturen, in denen die Zellen eingebettet sind, müssen für Nährstoffe durchlässig sein, damit die Zellen überleben und sich vermehren können. Ganz wichtig ist aber auch, ob die Strukturen steif oder biegsam sind, ob sie stabil sind oder im Lauf der Zeit abgebaut werden.“

Eine Möglichkeit ist, zuerst passende Strukturen herzustellen und danach mit lebenden Zellen zu besiedeln – doch mit diesem Ansatz kann es schwierig werden die Zellen tief im Inneren des Gerüstes unterzubringen, und es ist kaum möglich, eine gleichmäßige Zellverteilung zu erreichen. Die deutlich bessere Variante ist es, die lebenden Zellen direkt bei der Herstellung der 3D-Struktur mit einzubetten – diese Technik wird als „Bioprinting“ bezeichnet.

Mikroskopisch feine 3D-Objekte zu drucken, ist heute grundsätzlich kein Problem mehr. Die Verwendung von lebenden Zellen stellt die Wissenschaft aber vor ganz neue Herausforderungen: „Es fehlte bisher einfach an den passenden chemischen Substanzen“, sagt Aleksandr Ovsianikov. „Man braucht Flüssigkeiten oder Gele, die punktgenau erstarren, wo man sie mit einem fokussierten Laserstrahl beleuchtet. Diese Materialien dürfen für die Zellen allerdings nicht schädlich sein, und das Ganze muss außerdem noch extrem schnell ablaufen.“

Zwei Photonen auf einmal

Um eine extrem hohe Auflösung zu erreichen, verwendet man an der TU Wien bereits seit Jahren die Methode der Zwei-Photonen-Polymerisation. Dabei nutzt man eine chemische Reaktion, die nur dann in Gang gesetzt wird, wenn ein Molekül des Materials zwei Photonen des Laserstrahls gleichzeitig absorbiert. Das ist nur dort möglich, wo der Laserstrahl eine besonders hohe Intensität hat. Genau dort härtet die Substanz aus, überall sonst bleibt sie flüssig. Daher ist diese Zwei-Photonen-Methode bestens geeignet, um mit hoher Präzision feinste Strukturen herzustellen.

Genau wegen der hohen Auflösung hat die Methode allerdings normalerweise den Nachteil, sehr langsam zu sein – oft musste man sich mit einer Schreibgeschwindigkeit im Bereich von Mikrometern oder wenigen Millimetern pro Sekunde genügen. An der TU Wien hingegen schafft man mit zellfreundlichen Materialien einen Meter pro Sekunde – ein entscheidender Fortschritt. Denn nur, wenn der ganze Prozess zumindest in wenigen Stunden abgeschlossen ist, kann man davon ausgehen, dass die Zellen tatsächlich überleben und sich weiterentwickeln.

Zahlreiche Anpassungsmöglichkeiten

„Unsere Methode liefert viele Möglichkeiten, die Umgebung der Zellen anzupassen“, sagt Aleksandr Ovsianikov. Je nachdem, wie man die Struktur baut, kann man sie steifer oder weicher machen, sogar feine, kontinuierliche Übergänge sind möglich. So kann man genau vorherbestimmen, wie die Struktur aussehen soll, um Zellwachstum zu erlauben und Migration zu leiten. Durch die Laser-Intensität kann man außerdem einstellen, wie leicht die Struktur im Lauf der Zeit abgebaut werden kann.

„Für die Zellforschung ist das ein wichtiger Schritt nach vorne“, ist Ovsianikov überzeugt. „Mit solchen 3D-Modellen kann man das Verhalten von Zellen mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit untersuchen. Man kann herausfinden, wie sich Krankheiten ausbreiten – und wenn man Stammzellen verwendet, könnte man auf diese Weise sogar maßgeschneidertes Gewebe herstellen.“

Das Forschungsprojekt ist eine internationale und interdisziplinäre Kooperation, an der drei verschiedene Institute der TU Wien beteiligt waren: Ovsianikovs Forschungsgruppe war für die Drucktechnik selbst zuständig, das Institut für Angewandte Synthesechemie entwickelte die nötigen schnell reagierenden und zellfreundlichen Fotoinitiatoren (die Substanzen, die bei Beleuchtung den Aushärtungsprozess in Gang setzen) und am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik wurden die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Strukturen analysiert.

Die hochauflösende 3D-Drucktechnologie und die dafür nötigen Materialien werden nun auch von der Firma UPNano kommerzialisiert, einem jungen erfolgreichen Spin-off der TU Wien. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Elektronisches Stethoskop für das Smartphone punktet im Gründerwettbewerb

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.10.2019

Ein elektronisches Stethoskops für das Smartphone hat das Gründerteam Sanascope im Starterzentrum der Universität des Saarlandes entwickelt. Mit Hilfe einer Analyse-App kann es Herz- und Lungentöne klassifizieren und krankhafte Töne erkennen, um auch ohne medizinisches Wissen schwerwiegende Krankheiten frühzeitig zu erkennen. Es soll älteren Menschen, Kranken und Pflegebedürftigen mehr Sicherheit geben und auch Arztpraxen, Kliniken und Pflegeheimen als kostengünstige Lösung dienen. Mit dieser Innovation setzte sich das Gründerteam bei dem Luxemburger Pitch „Fit 4 Start“ gegen 291 internationale Start-ups durch und erhält jetzt ein mehrmonatiges Coaching und 50.000 Euro Preisgeld.

„Sicherheit durch Früherkennung“ lautet der Leitgedanke des Gründerteams, das Menschen über fünfzig, Pflegebedürftigen sowie Familien mit Kindern Hilfe bieten will. „Weltweit verfügen Patienten über zu wenige Hilfsmittel, um ihren eigenen Gesundheitszustand genau einschätzen und entscheiden zu können, ob und wann ein Arztbesuch für sie angebracht ist“, sagt Lukas Weick, der an der Universität des Saarlandes Medizin studiert hat und einer der Gründer von Sanascope ist. Mit schwerwiegenden Folgen würden deshalb Krankheiten wie Lungenentzündungen und Vorhofflimmern häufig zu spät erkannt. Der Gründer weiß, wovon er redet, verschaffte er sich doch bereits während seines Medizinstudiums durch Praktika in Deutschland, der Schweiz, Kenia, dem Libanon und Chile einen Einblick in die spezifischen Bedingungen der Gesundheitssysteme weltweit.

Elektronisches Stethoskop für den Hausgebrauch

Das elektronische Stethoskop Sanascope kann, gekoppelt an ein Smartphone mit einer Analyse-App, Herz- und Lungentöne bestimmen und krankhafte Töne erkennen. Dem Nutzer wird über die App genau anzeigt, wo das Stethoskop positioniert werden muss, um die Herz- und Lungentöne korrekt zu erfassen. Mittels eines neuronalen Netzes werden diese anschließend analysiert. Falls dabei Anzeichen einer Krankheit zu erkennen sind, rät die App dem Nutzer zu einem Arztbesuch. Insbesondere die ländliche medizinische Versorgung könnte so entscheidend verbessert werden, betonen die Mitglieder des Gründer-Teams. Dieses besteht aus zwei Medizinern, vier Informatikern, einem Betriebswirt, einem Designer und einem Produktmanager. Im April dieses Jahres haben sie mit ihrer Gründungsidee bereits die Jury des Bundesprogrammes EXIST überzeugt, so dass deren Umsetzung durch ein EXIST-Gründerstipendium finanziell unterstützt wird und sie von einem Coaching der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer der Saar-Universität (KWT) profitieren.

Der entscheidende Durchbruch gelang dem jungen Team jetzt beim Luxemburger Pitch „Fit 4 Start“, bei dem sie zu den 20 Siegerfirmen gehörten, die aus 291 internationalen Start-ups ausgewählt wurden. Deren Markteintritt wird nun durch das luxemburgische Wirtschaftsministerium mit einem 16-wöchigen Coaching sowie 50.000 Euro unterstützt. Zuvor hatte das Sanascope-Team auf einschlägigen Pitch-Veranstaltungen wie der Pitch-Competition „SWSaar meets SWLuxembourg“ auf sich aufmerksam gemacht, wo sich das Gründer-Team neben Platz drei auch den Crowd’s Favorite Award sichern konnte. Überzeugt hatte die kostengünstige Innovation zudem beim Healthcare Hackathon „Gesundheit neu denken“ in Berlin.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Eine neue Strategie für die Synthese komplexer Naturstoffe

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.10.2019

Chemiker der Universität Basel haben erfolgreich zwei komplexe Naturstoffe aus der Klasse der sogenannten Dithioketopiperazine (DTPs) hergestellt. Ihre kurze Syntheseroute basiert im Schlüsselschritt auf der Methode der «C-H-Aktivierung». Auf diesem Weg konnten die beiden Naturstoffe Epicoccin G und Rostratin A in hohen Ausbeuten erzeugt werden, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift «Journal of the American Chemical Society» berichten.

Bestimmte Mikroorganismen wie Pilze sind reiche Quellen von Sekundärmetaboliten, die ein grosses Potenzial für medizinische Anwendungen besitzen. Von besonderem Interesse sind hierbei die Dithioketopiperazine (DTPs), die eine Vielzahl biologischer Aktivitäten aufweisen und als Wirkstoffe gegen Malaria oder Krebs eingesetzt werden könnten. Trotz intensiver Bemühungen sind bislang jedoch nur relativ wenige Totalsynthesen von Molekülen dieser Art bekannt, sodass es schwierig bleibt, ausreichende Mengen dieser Verbindungen für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen.

Professor Dr. Olivier Baudoin und Erstautor Pierre Thesmar vom Departement Chemie der Universität Basel ist es nun gelungen, eine effiziente und skalierbare Syntheseroute für beide komplexen Naturstoffe zu entwickeln.

C-H-Aktivierung als neue Synthesestrategie

Bei der neuen Strategie zum Aufbau des Ringsystems der Zielverbindungen kam unter anderem die Methode der «C-H-Aktivierung» zur Anwendung, welche sich in den letzten Jahren als wertvolles Synthesewerkzeug etabliert hat. Im Schlüsselschritt werden durch eine zweifache Reaktion, bei denen jeweils eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung (C-H) aufgebrochen und eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung (C-C) neu geknüpft wird, zwei Ringe simultan gebildet. Dieser Syntheseweg ermöglicht einen effizienten Zugang zu einem gemeinsamen Zwischenprodukt im Multigramm-Massstab, ausgehend von kostengünstigen und kommerziell verfügbaren Ausgangsstoffen.

In sieben weiteren Schritten wurde dieses Intermediat dann zum DTP-Naturstoff Epicoccin G umgesetzt. Im Vergleich zur einzigen anderen bislang veröffentlichten Synthese brauchten die Basler Forschenden nur 14 statt 17 einzelne Schritte bei einer Gesamtausbeute von 19,6% statt 1,5%.

Die nächste Herausforderung: Rostratin A

Nach der erfolgreichen Synthese von Epicoccin G wagte sich das Basler Forscherteam an die erstmalige Synthese von Rostratin A. Dieser verwandte DTP-Naturstoff besitzt einige herausfordernde Strukturelemente, für die die Endphase der Synthese grundsätzlich angepasst werden musste. Nach umfangreichen Vorversuchen und der Optimierung eines jeden einzelnen Syntheseschritts konnte Rostratin A in der aussergewöhnlichen Menge von mehr als 500 Milligramm hergestellt werden. Diese Totalsynthese gelang in 17 Syntheseschritten und in sehr hoher Gesamtausbeute von 12,7%.

Die neue Synthesestrategie offenbart das grosse Potential der C-H-Aktivierung als effiziente Methode in der Naturstoff-Totalsynthese. In einem nächsten Schritt möchten die Forschenden weitere Naturstoffe und deren Analoga aus der Klasse der DTPs herstellen, um weitergehende Studien zur Untersuchung ihres medizinischen Potentials durchführen zu können.

Originalarbeit:
Pierre Thesmar, Olivier Baudoin
Efficient and divergent total synthesis of (–)-epicoccin G and (–)-rostratin A enabled by double C(sp3)–H activation
Journal of the American Chemical Society (2019), doi: 10.1021/jacs.9b09359

Externer Link: www.unibas.ch