Drehung auch bei Kälte

Presseinformation der LMU München vom 22.11.2018

LMU-Chemiker haben den ersten molekularen Motor entwickelt, der nur mit Licht als Antrieb auskommt und temperaturunabhängig betrieben werden kann.

Molekulare Motoren, die durch externe Energiezufuhr hin gezielte Drehbewegungen ausführen, sind eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen in der Nanotechnologie. Vielversprechende Kandidaten für solche Motoren sind Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Struktur ändern. Allerdings benötigen alle bisherigen lichtgetriebenen molekularen Motoren zusätzliche, durch Wärme angetriebene Reaktionen und sind deshalb von der Umgebungstemperatur abhängig. LMU-Chemiker Henry Dube ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Mit seinem Studenten Aaron Gerwien hat er den ersten molekularen Motor entwickelt, der vollständig lichtgetrieben und damit temperaturunabhängig ist – bei tiefen Temperaturen ist er sogar schneller. Diese einzigartige Eigenschaft könnte die Einsatzmöglichkeiten zukünftiger Nanomaschinen wesentlich erweitern. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Journal of the American Chemical Society.

Grundvoraussetzung für einen funktionierenden molekularen Rotationsmotor ist eine durch Energiezufuhr erzeugte gerichtete Drehbewegung. Dabei führen mehrere Drehschritte zu einer vollständigen 360 Grad Rotation eines bestimmten Molekülteils um einen anderen. Um zu verhindern, dass sich das Molekül wieder zurückdreht, benötigen alle bisher entwickelten molekularen Motoren sogenannte Ratschenschritte: Darunter versteht man Zwischenschritte, die das Molekül nach einem Drehschritt so verändern, dass die Rückreaktion blockiert wird. Diese Ratschenschritte werden normalerweise durch Wärme induziert. Deshalb laufen die Motoren umso langsamer, je tiefer die Umgebungstemperaturen sind und bleiben bei Kälte schließlich stehen.

Der neue Motor basiert wie frühere von Dube entwickelte Motorsysteme auf dem Molekül Hemithioindigo. Dieses Molekül besteht aus zwei unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Hälften, die über eine chemische Doppelbindung miteinander verbunden sind. „Wir haben es nun geschafft, das Molekül so zu modifizieren, dass drei Teilreaktionen ausreichen, um eine vollständige Rotation des einen Molekülteils um den anderen zu erzielen“, sagt Dube. Alle drei Teilschritte der Drehung werden durch sichtbares Licht angetrieben und kommen ohne thermische Ratschen-Zwischenschritte aus. Alle drei Teilreaktionen werden durch Kühlung sogar effizienter, deshalb kann der neue Motor bei tieferen Temperaturen schneller werden anstatt langsamer. „Die Teilschritte bestehen aus drei unterschiedlichen Photoreaktionen, von denen wir zwei erst dieses Jahr zum ersten Mal direkt experimentell bewiesen haben“, erklärt Dube. Das einzigartige Verhalten des Motors und sein neuartiger Mechanismus werden es nach Überzeugung der Wissenschaftler in Zukunft ermöglichen, molekulare Maschinen zu bauen, die wegen ihrer Temperaturunempfindlichkeit neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen werden, die mit herkömmlichen molekularen Motoren unmöglich sind.

Publikation:
Journal of the American Chemical Society 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Von der Starterfirma der Saar-Uni zum Wachstumschampion 2019

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 20.11.2018

Die Instillo GmbH, deren Ursprung im Starterzentrum der Universität des Saarlandes liegt, ist eines der wachstumsstärksten Technologieunternehmen Deutschlands: Für ein Umsatzwachstum von 448,91 Prozent im Zeitraum 2014 bis 2017 hat Instillo im November den „Technology Fast 50 Award“ des Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsunternehmens Deloitte erhalten. Außerdem zählt das Unternehmen zu den „Wachstumschampions 2019“. In einem branchenübergreifenden Ranking der 500 am schnellsten wachsenden deutschen Unternehmen, die das Nachrichtenmagazin Focus und das Statistik-Portal Statista ermittelt haben, belegt Instillo Rang 68 – und in ihrer Branche „Chemie und Pharma“ sogar Rang 1. Das Unternehmen geht auf die Starterfirma „MJR PharmJet“ auf dem Unicampus Homburg zurück.

Mit einem neuartigen Verfahren, kleinste Wirkstoff-Transporter für die Arzneimittel- oder Kosmetikbranche herzustellen, gründete Dr. Bernd Baumstümmler 2010 mit zwei Partnern das Unternehmen „MJR PharmJet“ im Starterzentrum auf dem Campus Homburg. Der Wirkstoff-Transport über die körpereigenen Barrieren wie Darm- oder Lungenschleimhaut ist einer der Forschungsschwerpunkte der pharmazeutischen Forschung an der Saar-Universität und am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS).

Mit ihrer patentierten „Mikrojetreaktor-Technologie“ konnten die Gründer Partikel unterschiedlicher Größe bis hin zu Nanopartikeln erzeugen und in ihnen – unverändert und hochdosiert – Wirkstoffe verpacken. Werden sie vom Patienten zum Beispiel inhaliert, überwinden sie als Nano-Transporter die Lungen-Barriere, liefern eine Antibiotika-Ladung am richtigen Wirkort ab und werden dann vom Körper abgebaut. Diesen Wirkstoff-Paketdienst entwickelten die Gründer für Medikamente, er kommt aber auch bei Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetik zum Einsatz. Das Verfahren nutzen die Pharma- und Kosmetikindustrie etwa, um neue Produkte herzustellen oder zu prüfen.

Die MJR Pharmjet expandierte schnell. Durch Beteiligungen entstand die Instillo Group, deren technologischer Kern noch immer die MJR PharmJet bildet. Am neuen Standort in Überherrn arbeiten derzeit über 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus den Disziplinen Chemie, Pharmazie, Biologie, Biotechnologie, aber auch Ingenieure und Betriebswirte.

Neben dem aktuellen „Technology Fast 50 Award“ und der Auszeichnung als Wachstumschampion 2019 zählt Instillo laut dem Wettbewerb TOP 100 außerdem seit Juni dieses Jahres zu den innovativsten Firmen des deutschen Mittelstands.

Insgesamt 389 Firmen sind auf dem Gründer Campus Saar bislang entstanden. Den Start in die Selbstständigkeit unterstützt die Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer (KWT) der Universität des Saarlandes seit über 23 Jahren: In drei Starterzentren können Gründerinnen und Gründer der Universität günstig Geschäftsräume in räumlicher Nähe zu den Uni-Forschern mieten. Alle Gründungsphasen unterstützt die KWT mit einem großen Angebot zum Beispiel mit Seminaren, Workshops oder Coaching-Programmen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Welser FH OÖ-Wissenschafter entwickeln neuartigen Wildwarner

Pressemeldung der FH Oberösterreich vom 12.11.2018

76.000 Wildtiere kommen laut Kuratorium für Verkehrssicherheit jährlich in Österreich im Straßenverkehr zu Tode. Alle sieben Minuten ereignet sich statistisch gesehen ein Unfall mit einem Wildtier. Die Jägerschaft und die Versicherungen haben großes Interesse, diese Schadensfälle zu minimieren bzw. zu vermeiden. Viele gefährliche Straßenabschnitte werden bereits mit Wildwarnern ausgestattet. Im Auftrag der Firma Dehako haben nun die beiden FH-Professoren Kurt Niel (Messtechnik) und Roland Exler (Elektronik) eine Produktidee in ein neuartiges, elektronisches Gerät entwickelt, das Wildunfälle zukünftig fast gänzlich ausschließen kann.

„Wir haben das bestehende Wildwarngerät der Firma Dehako weiterentwickelt. Es ist kleiner, reagiert nicht nur auf Scheinwerferlicht, sondern auch auf den Schall eines Fahrzeugs. Weiters stehen diese neuen Wildwarner in Funkverbindung, sodass bei naheliegenden Geräten die Warnsignale vorzeitig ausgelöst werden können“, erklärt Roland Exler, der an der FH OÖ in Wels als Lektor Elektronik und digitale Signalverarbeitung unterrichtet. „Zusätzliche Warngeräte können nun auch im Böschungsbereich an Pflöcken angebracht werden, wo kein Schall oder Licht hinkommt. Außerdem sendet das Gerät nicht nur akustische Signale, sondern auch Lichtblitze aus“, fügt der Fachbereichsleiter für Mess- und Regelungstechnik, FH-Prof. Kurt Niel hinzu.

Die beiden Wissenschafter haben dazu die Elektronik neu konzipiert und eine durch Micro-Controller gesteuerte Einheit in Kleinserien hergestellt. Die Geräte sind ganzjährig energieautonom durch Solarzellen und Speicher und robust für alle Witterungsbedingungen.

Oftmals im Straßenbaubudget bereits vorgesehen

Das Land Oberösterreich unterstützt gemeinsam mit Versicherungsunternehmen und dem Oberösterreichischen Landesjagdverband den Ausbau von Wildwarnern an oberösterreichischen Straßen. Mit der Montage akustischer und optischer Wildwarner konnte die Anzahl der Wildunfälle an besonders frequentierten Wildwechselstellen um bis zu 90 Prozent gesenkt werden.

Bei vielen neuen Straßenbauprojekten sind die Wildwarner bereits im Baubudget vorgesehen. „Wenn man nur schätzungsweise eine geringe Schadenssumme von 1.000 Euro pro Schadensfall annimmt, ergäbe das jährlich eine Gesamtschadenssumme in Österreich von 76 Mio. Euro. Die Wildwarner sind um ein Vielfaches billiger als die späteren Schäden an Auto und Natur. Mit diesem neuen Gerätesystem wird es möglich sein, fast alle Wildunfälle zu vermeiden“, sagen die beiden Entwickler, die im Übrigen noch keinen Wildschaden in ihrer Autofahrerkarriere zu verzeichnen hatten. FH-Prof. Kurt Niel konnte die Neuentwicklung kürzlich auf einer wissenschaftlichen Tagung in Bosnien und Herzegowina präsentieren.

Externer Link: www.fh-ooe.at

Die RNA als Mikrochip

Pressemeldung der Universität Wien vom 06.11.2018

Ein neues Kapitel in der Synthese von Ribonukleinsäure

Ribonukleinsäure (RNA) zählt neben DNA und Protein zu den drei primären biologischen Makromolekülen und war wahrscheinlich auch das erste, welches den frühen Formen des Lebens entsprang. Laut RNA-Welt-Hypothese ist RNA in der Lage, aus sich selbst heraus Leben hervorzubringen, Informationen zu speichern und biochemische Reaktionen zu katalysieren. Selbst in heutigen Lebensformen bestehen die komplexesten zellulären Funktionseinheiten, die Ribosomen, zum größten Teil aus RNA. ChemikerInnen der Fakultät für Chemie der Universität Wien und der McGill University haben nun einen neuen synthetischen Ansatz entwickelt, mit dem RNA etwa eine Million Mal effizienter chemisch synthetisiert werden kann als zuvor.

RNA ist in Zellen allgegenwärtig. Sie ist für den Transport von Information aus dem Nukleus, die Regulation der Genexpression und die Proteinsynthese zuständig. Manche RNA Moleküle, speziell bei Bakterien, katalysieren auch biochemische Reaktionen und dienen als Sensoren für Umweltsignale.

Die chemische Synthese von DNA und RNA begann in den frühen Zeiten der Molekularbiologie, wobei ihre Anfänge in den 60er Jahren insbesondere auf die Arbeiten des Nobelpreisträgers Har Gobind Khorana zur Entschlüsselung des genetischen Codes zurückgehen. Seither gab es bedeutende Entwicklungen in der Synthesechemie. Die RNA-Synthese blieb ein schwieriges Forschungsgebiet mit vergleichsweise geringen Fortschritten, da die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schutzgruppe an der 2′-Hydroxylgruppe des RNA-Ribosezuckers eine besondere Herausforderung darstellt. ChemikerInnen des Instituts für Anorganische Chemie an der Fakultät für Chemie der Universität Wien und der McGill University konnten die RNA-Synthese nun einen großen Schritt voranbringen.

Halbleiter-Technologie und Synthese

Um die chemische Syntheseeffizienz zu steigern, vereinten die ChemikerInnen zwei Schlüsselkonzepte: Die Photolitographie aus der Halbleiter-Herstellung und die Entwicklung einer neuen Schutzgruppe.

Zunächst adaptierten die ChemikerInnen photolithographische Fertigungstechnologien aus der Halbleiter-Chip-Industrie, die üblicherweise für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet wird für die chemische Synthese von RNA. Eine biologische Photolithographie ermöglicht es, RNA-Chips mit einer Dichte von bis zu einer Million Sequenzen pro Quadratzentimeter herzustellen. Statt ultraviolettem Licht, das bei der Herstellung von Computerchips für die Siliziumätzung und –dotierung genutzt wird, greifen die ForscherInnen auf UV-A-Licht zurück. „Kurzwelliges ultraviolettes Licht wirkt sich sehr destruktiv auf RNA aus – wir sind bei der Synthese deshalb auf UV-A-Licht beschränkt“, erklärt Mark Somoza vom Institut für Anorganische Chemie.

Neben der innovativen Verwendung der Photolitographie konnten die ForscherInnen auch eine neue Schutzgruppe für die RNA 2’Hydroxylgruppe entwickeln, die mit photolitographischer Synthese kompatibel ist. Die neue Schutzgruppe ist Acetallevulinylester (ALE), der ebenfalls sehr hohe Ausbeuten (über 99 Prozent) der Koppelungsreaktionen zwischen den zugegebenen RNA-Monomeren bei der Verlängerung des RNA-Strangs ergibt. “Die Kombination von hohen Syntheseausbeuten und der einfachen Handhabung rückt die Herstellung von längeren und funktionalen RNA-Molekülen auf Mikrochips in absehbare Zukunft“, sagt Jory Liétard, Post-Doc der Gruppe von Mark Somoza.

Die Forschungsarbeit an RNA-Mikroarrays wurde durch den Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, den Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und den Natural Sciences and Engineering Council of Canada finanziert.

Publikation:
in „Angewandte Chemie“
J. Lietard, D. Ameur, M. J. Damha M. M. Somoza
„In situ Synthese von high-density RNA Mikroarrays mittels Photolithographie“
Onlineveröffentlichung: September 6, 2018.
DOI: 10.1002/anie.201806895

Externer Link: www.univie.ac.at

Künstliche Intelligenz: Ein Auto parken mit zwölf Neuronen

Presseaussendung der TU Wien vom 22.10.2018

An der TU Wien nahm man sich beim Programmieren künstlicher Intelligenz natürliche Nervenbahnen zum Vorbild. Die neuen Ansätze erzielen mit wenig Aufwand verblüffende Leistungen.

Ein natürlich gewachsenes Gehirn funktioniert ganz anders als ein gewöhnliches Computerprogramm. Es besteht nicht aus Befehlen mit klaren logischen Anweisungen, sondern aus einem Netz von Zellen, die miteinander kommunizieren. Man kann heute aber solche Netze auch am Computer nachbilden, um Probleme zu lösen, die sich nur schwer in logische Befehle zerlegen lassen.

An der TU Wien hat man nun einen neuen Ansatz für die Programmierung solcher neuronaler Netze entwickelt, der die zeitliche Entwicklung der Nervensignale völlig anders beschreibt als bisher. Inspirieren ließ man sich dabei von einem besonders einfachen und gut erforschten Lebewesen, dem Fadenwurm C. elegans. Sein Gehirn wurde am Computer simuliert, das Modell wurde dann mit speziell entwickelten Lernalgorithmen angepasst. So gelang es, mit einer extrem niedrigen Zahl simulierter Nervenzellen bemerkenswerte Aufgaben zu lösen. Obwohl das vom Wurm inspirierte Netzwerk nur über 12 Neuronen verfügt, kann man es darauf trainieren, ein Auto an einen vorherbestimmten Ort zu manövrieren. Ramin Hasani von Institut für Computer Engineering der TU Wien hat diese Arbeit nun am 20. Oktober bei der TEDx-Konferenz in Wien präsentiert.

Mathematisch lässt sich zeigen, dass diese neuartigen neuronalen Netze extrem vielseitig sind. Außerdem lässt sich ihr Verhalten gut untersuchen und verstehen – im Gegensatz zu bisherigen neuronalen Netzen, die man oft als nützliche aber undurchschaubare „Black Box“ betrachtete.

Signale in verzweigten Netzen

„Neuronale Netze müssen zuerst trainiert werden“, erklärt Ramin Hasani. „Man liefert einen bestimmten Input und passt die Verbindungen zwischen den Neuronen so an, dass am Ende möglichst zuverlässig der richtige Output geliefert wird.“

Der Input kann beispielsweise ein Bild sein – und der Output der Name der Person, die darauf zu sehen ist. „Die Zeit spielt bei diesem Vorgang normalerweise keine Rolle“, sagt Radu Grosu (Institut für Computer Engineering, TU Wien). „Bei den meisten neuronalen Netzen wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der gesamte Input geliefert und daraus ergibt sich sofort ein bestimmter Output. In der Natur ist das aber ganz anders.“

Spracherkennung etwa ist eine zwangsläufig zeitabhängige Aufgabe, genauso wie Simultanübersetzungen oder Bewegungsabläufe, die auf eine wechselnde Umwelt reagieren. „Solche Aufgaben können viel besser gelöst werden, wenn man sogenannte RNN verwendet – recurrent neural networks“, sagt Ramin Hasani. „Das ist eine Architektur, die Zeitabläufe besser abbildet, weil sie dafür sorgt, dass sich die Nervenzellen merken, was bisher passiert ist.“

Hasani und sein Team schlugen eine neuartige RNN-Architektur vor, die auf biophysikalischen Modellen von Neuronen und Synapsen beruht und zeitabhängige Dynamik erlaubt. „In einem gewöhnlichen RNN-Modell gibt es eine unveränderliche Verbindung zwischen Neuron eins und Neuron zwei, die festlegt, wie stark das eine Neron die Aktivität des anderen beeinflusst“, erklärt Ramin Hasani. „In unserem neuartigen RNN ist diese Verbindung eine nichtlineare Funktion der Zeit.“

Indem man zulässt, dass sich die Zellaktivität und die Verbindungen zwischen den Zellen mit der Zeit verändern, eröffnet man völlig neue Möglichkeiten. Ramini Hasani, Mathias Lechner und ihr Team konnten mathematisch zeigen, dass sich mit dieser Methode im Prinzip neuronale Netze mit beliebiger Dynamik erzeugen lassen. Um die Vielseitigkeit des neuen Typs neuronaler Netze zu demonstrieren, entwickelten und trainierten sie ein spezielles kleines Neuro-Netzwerk: „Wir bildeten das Nervensystem nach, das der Fadenwurm C. elegans verwendet, um einen ganz einfachen Reflex zu realisieren – nämlich das Rückzugsverhalten bei einer Berührung“, sagt Mathias Lechner (derzeit am Institute of Science and Technology Austria). „Das neuronale Netz wurde stimuliert und trainiert, um reale Aufgaben zu lösen.“

Der Erfolg ist erstaunlich: Obwohl es sich um ein kleines, einfaches Netz mit nur 12 Nervenzellen handelt, kann es (nach der entsprechenden Optimierung der Nervenverbindungen) bemerkenswert komplexe Aufgaben lösen. Das Netz kann trainiert werden, ein Fahrzeug in eine Parklücke zu manövrieren. „Der Output des neuronalen Netzes, der in der Natur die Bewegung des Fadenwurms steuern würde, wird bei uns in das Lenken und Beschleunigen des Fahrzeugs umgesetzt“, sagt Hasani. „Wir beweisen damit, dass mit unserer Methode sehr einfache neuronale Netze komplizierte Aufgaben in einer physisch realen Umgebung lösen können.“

Zusätzlich hat die neue Methode den Vorteil, dass sie einen besseren Einblick in die Funktionsweise des neuronalen Netzes bietet: Während man bei bisherigen neuronalen Netzen, die oft aus vielen tausend Knotenpunkten bestanden, nur das Ergebnis analysieren kann und die Abläufe im Inneren unüberschaubar komplex sind, lässt sich beim kleineren aber leistungsfähigen Netz der TU Wien zumindest teilweise verstehen, welche Nervenzellen welche Effekte hervorrufen. „Für die Forschung und die weitere Verbesserung des Konzeptes ist das ein großer Vorteil“, sagt Hasani.

Das bedeutet freilich nicht, dass Autos in Zukunft von künstlichen Würmern eingeparkt werden – aber es zeigt, dass künstliche Intelligenz mit der richtigen Architektur deutlich leistungsfähiger sein kann als bisher gedacht. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at