Archiv der Kategorie: Hochschule

HIV: Neuer Mechanismus entdeckt

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 13.11.2020

Der Kampf gegen HIV ist auch nach jahrelanger Forschung nicht gewonnen. Ein wichtiger Schritt zur Entwicklung besserer Therapien ist ein gutes Verständnis davon, wie sich das Virus auf molekularer Ebene im Körper vermehrt. Ein Team um Kathrin Breuker hat nun einen Mechanismus entschlüsselt, der für die Vermehrung des Virus zentral ist und ein neues Angriffsziel für eine Therapie bietet.

Millionen von Menschen weltweit sind mit dem Immunschwäche-Virus (HIV) infiziert. Wird dessen Vermehrung nicht mit Hilfe von antiviralen Mitteln eingedämmt, führt eine Infektion nach einiger Zeit zu einer AIDS-Erkrankung. Viele Wissenschaftler forschen immer noch intensiv nach neuen Angriffspunkten des Virus, um effizientere Therapien zu entwickeln. Die Arbeitsgruppe um Kathrin Breuker vom Institut für Organische Chemie hat nun ein weiteres solches Ziel identifiziert. Die Forscherinnen und Forscher konnten einen Mechanismus entschlüsseln, über den das Virus seine Vermehrung in menschlichen Zellen vorantreibt.

Zerstörerischen Zyklus unterbrechen

Um sich zu vermehren und auszubreiten, dringt das HI-Virus in menschliche Zellen ein und baut seine Erbinformation im Zellkern in die DNA ein. Dadurch wird aus der eingebauten Virus-DNA neue Virus-mRNA produziert, die aus dem Zellkern in das Cytosol transportiert und dort in virale Proteine, die der Virus-Replikation dienen, umgeschrieben wird. Um die Virus-mRNA schnell aus dem Zellkern zu lotsen, bringt das Virus ein bestimmtes Protein mit, das rev heißt. Es ist bekannt, dass etwa acht bis zehn solcher rev-Moleküle an die Virus-RNA binden müssen, damit die mRNA schnell den Zellkern verlassen kann. Schon lange beschäftigt die Wissenschaft die Frage, wo genau an der RNA und in welcher Reihenfolge diese rev-Proteine anlagern. Denn hier liegt ein möglicher Angriffspunkt für eine gezielte Therapie, um den zerstörerischen Zyklus der Virusvermehrung zu unterbrechen. Bisher wurde versucht, mit Hilfe von Kernspinresonanz-Spektroskopie, Kristallographie und biochemischen Experimenten das Rätsel zu lösen. Für die strukturgebenden Methoden wurden aber modifizierte Moleküle verwendet, weil die natürlichen Moleküle zu dynamisch sind und in den betroffenen Bereichen nicht kristallisieren. „Mit diesen Methoden wurde vor einigen Jahren auch eine wichtige Bindungsstelle entdeckt“, erzählt Kathrin Breuker. Mit ihrem Team hat sie nun eine neue Methode genutzt, um den Replikationsmechanismus des Virus genauer unter die Lupe zu nehmen.

Neue Bindungsstelle entdeckt

Die Innsbrucker Chemiker*innen haben die natürlichen Moleküle im Labor synthetisch nachgebaut: ein Peptid, das der Bindungsdomäne des rev-Proteins entspricht sowie unterschiedlich lange Segmente der Virus-mRNA. Deren Interaktionen beobachteten sie mit Hilfe der Elektrospray-Massenspektrometrie und Kollisions-aktivierter Dissoziation. „Wir fanden neben RNA mit einem Peptid auch Komplexe mit zwei Peptiden. Bei längeren RNA-Stücken beobachteten wir auch solche mit fünf Peptiden“, erzählt Kathrin Breuker, die mit ihrem Team diese Konstrukte genauer unter die Lupe nahm und eine neue Bindungsstelle entdeckte, die bisher nicht detektiert werden konnte. „Es handelt sich hier um eine transiente Bindungsstelle, die die rev-Proteine einfängt und dann an die bereits bekannten Bindungsstellen weiterreicht und so die Bildung von stabilen RNA-Protein-Komplexen ermöglicht“, erläutert Breuker das überraschende Ergebnis, das nun in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde. Dieser Fund ist nicht nur in Hinblick auf eine neue Therapie interessant, sondern klärt auch viele Forschungsergebnisse, die bisher nicht oder nur teilweise verstanden wurden.

Finanziell unterstützt wurden die Forschungen vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Forschungsförderungsgesellschaft FFG.

Originalpublikation:
Native mass spectrometry reveals the initial binding events of HIV-1 rev to RRE stem II RNA. Eva-Maria Schneeberger, Matthias Halper, Michael Palasser, Sarah Viola Heel, Jovana Vušurović, Raphael Plangger, Michael Juen, Christoph Kreutz & Kathrin Breuker. Nature Communications 2020, doi: 10.1038/s41467-020-19144-7

Externer Link: www.uibk.ac.at

App revolutioniert Wäschewaschen im Studierendenwohnheim

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der OTH Regensburg vom 09.11.2020

Absolventen der OTH Regensburg kooperieren mit dem Studentenwerk Niederbayern/Oberpfalz und entwickeln ein System zur Waschraumbelegung. Die App wurde bereits erfolgreich im Dr.-Gessler-Wohnheim in Regensburg getestet.

In der Wohnanlage Dr.-Gessler-Straße leben rund 600 Studierende. Im Waschkeller stehen ihnen acht Maschinen zum Wäschewaschen zur Verfügung – zu Stoßzeiten sind diese häufig allesamt belegt, außerhalb dieser kann es vorkommen, dass sie überhaupt nicht genutzt werden. Dieses Problem haben Daniel Florea und Pascal Bily, beide Absolventen des Masterstudiengangs Informatik an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg), erkannt und eine Lösung in Form einer App entwickelt.

In ihrem Abschlusssemester vergangenen Sommer belegten die beiden Kommilitonen das Modul „Projektstudium 2“ bei Prof. Dr. Alexander Metzner. Daniel Florea und Pascal Bily wohnten zu dieser Zeit im Dr.-Gessler-Wohnheim bzw. im Vitusheim. Wenn es ums Wäschewaschen ging, machten beide dieselbe Beobachtung: „Wir stellten fest, dass man immer wieder in der Waschküche ankommt und alle Waschmaschinen belegt sind. Zu anderen Zeiten waren wiederum alle Maschinen frei“, sagt Daniel Florea. Sie tauschten sich über das Problem aus und überlegten sich, eine Lösung innerhalb des Seminars „Projektstudium“ zu erarbeiten. Ihr Ansatz: Mittels eines kontaktlosen 3-Achsen-Kompass-Sensors wollten sie an den einzelnen Maschinen den Strom messen, was Aufschluss darüber gibt, ob diese gerade in Betrieb sind oder nicht. Das Ergebnis sollte in einer Cloud abgebildet werden und über eine Seite auf Endgeräten wie Smartphones abrufbar sein.

Ein System mit Messmodulen für alle Waschmaschinen bauten die beiden Informatiker dann zum Probelauf im Dr.-Gessler-Wohnheim ein. „Der Testlauf lief aus unserer Sicht sehr gut“, sagt Pascal Bily. Das Feedback der Nutzer sei durchweg positiv gewesen und das System sei bislang ohne Ausfälle durchgelaufen. Zurzeit befinden sich die beiden App-Macher in Gesprächen mit dem Studentenwerk Niederbayern/Oberpfalz über die Installation des Systems in weiteren Wohnheimen. Geschäftsführerin Gerlinde Frammelsberger zeigte sich begeistert: „Wir wollen die beiden jungen Absolventen unterstützen und prüfen derzeit, ob eine Ausweitung des Systems auf weitere unserer Wohnanlagen möglich wäre.“

Die Informatik-Absolventen sind inzwischen übrigens keine Heimbewohner mehr: Sie haben beide eine Anstellung als Software Development Engineer bei der Vector Informatik GmbH in Stuttgart bzw. Karlsruhe angetreten, wo sie sich mit Ethernet- bzw. Softwareanwendungen für die Automobilindustrie beschäftigen.

Externer Link: www.oth-regensburg.de

Blutgefäße gezielt und schnell vergrößern

Veröffentlicht am von

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.10.2020

Nature Communications: Forschende des KIT stimulieren gezielte Vergrößerung von Endothelzellen in Arteriolen – Grundlagen für eine bessere Behandlung von Herzinfarkten und Schlaganfällen

Bei Herzinfarkten und Schlaganfällen muss die Blutversorgung möglichst schnell sichergestellt werden, um größere körperliche Schäden zu vermeiden. Zoologen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) setzen auf einen neuen Mechanismus, um die Endothelzellen zu vergrößern und damit binnen Stunden den Blutdurchfluss zu verbessern. Das Team hat die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. (DOI: 10.1038/s41467-020-19008-0).

„Wir verfolgen einen völlig neuen Ansatz“, betont Professor Ferdinand le Noble, Leiter der Abteilung Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut (ZOO) des KIT. „Unser Fokus richtet sich nicht darauf, die Anzahl an Blutgefäßen zu erhöhen. Wir wollen die bereits vorhandenen Arterien erweitern, damit sie mehr Blut durchlassen“. Bereits kleine Veränderungen des Gefäßdurchmessers haben immense Auswirkungen auf den Blutfluss. Hierzu werden natürliche Prozesse genutzt, die dafür sorgen, dass im Laufe der Entwicklung aus kleinen Arterien größere Arterien entstehen. Typischerweise wird diese Entwicklung durch physikalische Prozesse, also den Blutfluss, ausgelöst und dauert relativ lange. Bis, zum Beispiel nach einem Gefäßverschluss, neue Blutgefäße nachgewachsen sind, braucht es in der Regel mehrere Tage. „Diese Zeit hat kein Kardiologe, der einen akuten Herzinfarkt behandeln muss“, erklärt le Noble.

Um den röhrenförmigen Innenraum der Blutgefäße schneller zu erweitern, sind prinzipiell zwei Mechanismen denkbar. Zum einen die vermehrte Produktion von Endothelzellen und zum zweiten die Vergrößerung bereits vorhandener Endothelzellen. Um nach einem Gefäßverschluss die Blutgefäße zu erweitern, sollten die Mechanismen strömungsunabhängig sein.

Das Protein VEGF ist als Schlüsselprotein in der Gestaltung und Ausbildung des Gefäßsystems bekannt. Gezielte Gefäßerweiterungen setzen voraus, dass VEGF nur lokal, also dort, wo es wirken soll, aktiv ist. Die Expertinnen und Experten am ZOO zeigen einen Mechanismus, mit dem sich die lokale Menge an VEGF dosieren lässt. VEGF gibt das Signal für eine gezielte Vermehrung der Endothelzellen und für eine Neumodellierung des endothelialen Zytoskeletts, in deren Folge sich der Durchmesser der Arterie erweitert. Die Neumodellierung des Zytoskeletts ist insofern entscheidend, als mit einer Größenzunahme der Endothelzellen auch eine Veränderung der Stabilität dieser Zellen einhergehen muss. Damit sie sich nicht nur schnell, sondern auch stabil ohne Verletzungen oder Ausstülpungen ausdehnen können, kommt mit Trio ein weiteres Protein zum Einsatz. Es sorgt als „Masterregulator“ dafür, dass der Umbau des endothelialen Gerüstes an den richtigen Stellen stattfindet.

„Wir hoffen, dass wir mit unserer Forschung langfristig zu einer Verbesserung der Behandlung akuter Herz-Kreislauf-Erkrankungen beitragen können“, betont le Noble. An Zebrafischembryonen und Modellen von Endothelzellen erfolgreich nachgewiesen soll der neue Mechanismus jetzt weiter präklinisch erprobt werden. Perspektivisch könnten die Ergebnisse der Forschungen am ZOO in die Entwicklung von Wirkstoffen einfließen, die zum einen mittels VEGF in Arteriolen selektiv Wachstumsprozesse anregen, zum anderen das Protein Trio aktivieren und deaktivieren. An der vierjährigen Studie waren neben dem KIT auch das Deutsche Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) mit seinen Standorten Heidelberg, Göttingen und München sowie Forschungskollegen aus den Niederlanden und Finnland beteiligt. (sur)

Originalpublikation:
Klems, A., van Rijssel, J., Ramms, Anne S., Wild, R., Hammer, J., Merkel, M., Derenbach, L. Préau, L., Hinkel, R., Suarez-Martinez, I., Schulte-Merker, S., Vidal, R., Sauer, S., Kivelä, R., Alitalo, K., Kupatt, C., van Buul, J. D., le Noble, F. (2020): The GEF Trio controls endothelial cell size and arterial remodeling downstream of Vegf signaling in both zebrafish and cell models. Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-19008-0

Externer Link: www.kit.edu

Bessere Laserstrahlen durch neuen Lichtstreuungs-Trick

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 19.10.2020

Eine völlig neue Methode, extrem kurze und energiereiche Laserpulse herzustellen, wurde an der TU Wien entwickelt.

Laserpulse mit extrem hoher Energie spielen in der heutigen Forschung eine wichtige Rolle – Anwendungen reichen von der Atomphysik bis zur Untersuchung der Atmosphäre. Allerdings braucht man für viele Anwendungen Laserstrahlen mit einer höheren Wellenlänge als man sie mit herkömmlichen Festkörperlasern erzeugen kann. Schon lange forscht man daher an speziellen Tricks, mit denen sich die Wellenlänge eines Laserstrahls erhöhen lässt.

Einen ganz neuen Ansatz verfolgte nun ein Team der TU Wien, mit Unterstützung aus Kanada und Russland. Der Laserstrahl wird durch ein dünnes Rohr geschickt, das mit Stickstoff gefüllt ist. Wenn ein Photon des Laserstrahls in Kontakt mit einem Stickstoff-Molekül kommt, kann es dabei ein kleines bisschen Energie verlieren, dadurch wird die Wellenlänge größer. So kann durch viele kleine Lichtstreuungen die Wellenlänge des Lasers angepasst werden ohne einen großen Teil der Lichtintensität zu verlieren. Aus diesem Licht lassen sich dann kurze, extrem kräftige Laserpulse erzeugen. Die neue Methode wurde nun im Fachjournal „Optica“ präsentiert.

Verschiedene Wellenlängen, zum Puls überlagert

Ein gewöhnlicher Laserpointer, der durchgehend leuchtet, hat nur eine ganz bestimmte Wellenlänge. Bei kurzen Laserpulsen ist das allerdings anders. „Einen kurzen Puls kann man nur erzeugen, wenn man unterschiedliche Wellenlängen auf die richtige Weise überlagert“, erklärt Paolo Carpeggiani vom Institut für Photonik der TU Wien. „Daher sucht man nach Methoden, das Laserlicht so zu verändern, dass es aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Besonders günstig ist der Mikrometer-Bereich – also Wellen, die deutlich länger sind als man sie etwa mit gewöhnlichen Saphir-Lasern erzeugen kann.“

Spezielle Tricks, mit denen man die Wellenlängen eines Laserstrahls in diesem Bereich einstellen kann, wurden bereits getestet – die sogenannten „Optical Parametric Amplifiers“. „Sie sind sehr flexibel in Bezug auf das Wellenlängenspektrum, das sie erzeugen können, aber sie haben auch Nachteile“, sagt Paolo Carpeggiani. „Sie sind extrem kompliziert, kosten viel Geld und ein großer Teil der Laserenergie geht dabei verloren.“

Moleküle als Energie-Absorber

Das Team der TU Wien setzte daher auf einen in der Atomphysik wohlbekannten Effekt – die sogenannte Raman-Streuung. Ein Photon wird an einem Molekül gestreut, und ein kleiner Teil seiner Energie wird dabei an das Molekül abgegeben. Wenn das Photon das Molekül verlässt, hat es daher eine geringfügig größere Wellenlänge als zuvor.

Man verwendete daher eine hohle Glasfaser mit einem Durchmesser von einem Millimeter und einer Länge von mehr als fünf Metern. Die Faser wurde mit Stickstoff gefüllt und der Laserstrahl wird durchgeschickt. „Indem wir den Druck des Stickstoffgases im Inneren der Faser verändern, können wir bestimmen, wie häufig es im Inneren zu Streuprozessen kommt. So können wir kontrollieren, wie stark sich die Wellenlänge des Laserlichts erhöhen soll“, erklärt Paolo Carpeggiani.

Weil nicht alle Photonen auf ihrem Weg durch die Glasfaser exakt gleich viel Energie verlieren, hat man danach einen Laserstrahl, der sich aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt – und der eignet sich ausgezeichnet, um daraus ultrakurze und extrem energiereiche Pulse zu erzeugen.

„Damit diese Methode funktioniert, mussten wir ganz spezielle Ytterbium-Laser verwenden. Außerdem war es eine große technische Herausforderung, eine derart lange, perfekt gerade Faser herzustellen“, sagt Paolo Carpeggiani.

Vielversprechendes neues Werkzeug

„Die Grundidee ist einfach, aber dass diese Methode tatsächlich funktioniert, war zunächst alles andere als offensichtlich“, meint Paolo Carpeggiani. „Unsere experimentellen Ergebnisse waren viel besser als man zunächst mit einfachen theoretischen Modellen erklären konnte. Erst als in Moskau dann ein detailliertes dreidimensionales Simulationsmodell entwickelt wurde, war klar, warum die Methode so erfolgreich ist.“

Mit der neuen Glasfasermethode steht jetzt ein völlig neues Werkzeug zur Erzeugung von Laserpulsen zur Verfügung – in einem Wellenlängenbereich, der zuvor schwer zugänglich war, und mit einer extrem hohen Energie. „Es gibt unzählige Laseranwendungen, die einstellbare Wellenlängen bei hohen Laserintensitäten erfordern. Daher kann unsere Methode für viele verschiedene Forschungsbereiche von großem Nutzen sein“, sagt Paolo Carpeggiani. Die Laserpulse können auch verwendet werden, um Röntgenstrahlen für hochentwickelte Messungen in der Atomphysik zu erzeugen, oder sie können sogar als chemische Sensoren eingesetzt werden, die Spuren von Gasen in der Luft messen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
P.A. Carpeggiani et al., Extreme Raman red shift: ultrafast multimode nonlinear space-time dynamics, pulse compression, and broadly tunable frequency conversion, Optica 7, 10 (2020).

Externer Link: www.tuwien.at

Neue Lichtquellen für die virtuelle und erweiterte Realität

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 20.10.2020

In der Freizeit und im Arbeitsleben werden zukünftig immer mehr Menschen die virtuelle Realität (= VR) oder erweiterte Realität (AR = augmented reality) nutzen – Kasseler Wissenschaftler haben eine neue Lichtquelle dafür entwickelt

Bereits jetzt interagieren Menschen mit Hilfe von ausgeklügelten Sensoren und 3-dimensionalen Bildern mit der virtuellen Welt. Das betrifft nicht nur Computerspieler, sondern auch Chirurgen oder Piloten sehen immer öfter Bilder einer durch Messdaten erweiterten Realität, beispielsweise durch spezielle Brillen. „Die Technik ist hier ein wertvolles Hilfsmittel, um sich in komplizierten Umgebungen sicher zurechtzufinden“, sagt Prof. Dr. Bernd Witzigmann, der an der Universität Kassel das Fachgebiet „Computational Electronics und Photonics (CEP)“ leitet.

„Für die Realisierung der aufwändigen Raum- und Bildvermessung sowie der 3-dimensionalen Bilddarstellung werden effiziente, leistungsstarke und kostengünstige Lichtquellen benötigt, die im infraroten oder sichtbaren Bereich arbeiten“, erklärt Witzigmann. Während Halbleiterlaser leistungsstark sind, und mit hoher Strahlqualität punkten können, sind LEDs (lichtemittierende Dioden) kostengünstig und erzeugen sogenanntes inkohärentes Licht. „Für die Bildgebung ist das ein großer Vorteil“, schildert Witzigmann.

An der Universität Kassel wurde nun mit dem Unternehmen Osram Opto Semiconductors eine neuartige Basistechnologie für eine Lichtquelle entwickelt, die die Vorteile der Strahleigenschaften und Leistungsdichte eines Lasers mit der Bildgebungsqualität und Kosteneffizienz einer LED vereint.

Basierend auf der kommerziellen LED-Technologie wurde eine sogenannte superlumineszente LED realisiert, die erstmals oberflächenemittierend ist und dadurch ähnlich einfach zu handhaben wie ein klassische LED. Die Details der Arbeit werden in einem Artikel in der Zeitschrift Compoundsemiconductor beschrieben, der im Oktober erschienen ist.

Veröffentlichung:
Compoundsemiconductor, Vol. 26, Issue 7, S. 54

Externer Link: www.uni-kassel.de