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Parasit tarnt sich durch Umstrukturierung

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Presseinformation der LMU München vom 17.10.2018

Trypanosomen, die Auslöser der Afrikanischen Schlafkrankheit, tricksen die Immunabwehr ihres Wirts aus, indem sie ihre Oberfläche immer wieder verändern. Forscher haben nun das komplette Genom des Parasiten sequenziert und wichtige Aspekte seiner molekularen Strategie aufgeklärt.

Die einzelligen Parasiten namens Trypanosoma lösen beim Menschen die Afrikanische Schlafkrankheit aus, die tödlich enden kann. Professor Nicolai Siegel, Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare Parasitologie an der LMU, erforscht an ihrem Beispiel den ständigen Wettkampf, in dem Parasiten und ihre Wirte stehen: Das Immunsystem des Wirts bekämpft den Parasiten, der wiederum Strategien gegen diese Abwehr entwickelt. Trypanosomen verändern ständig ihre Oberfläche, um vom Immunsystem des Wirts nicht erkannt zu werden. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe haben nun in Kooperation mit Kollegen der Universität Würzburg, von ZB MED – Informationszentrum Lebenswissenschaften, der TH Köln, des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg (ein Institut des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung) sowie Forschern in den USA, Großbritannien und Israel die genetischen Mechanismen dieser Abwehr untersucht. Das Team konnte nachweisen, dass bestimmte DNA-Verpackungsproteine die Struktur der Erbsubstanz des Parasiten beeinflussen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature.

Trypanosomen kommen in verschiedenen Wirbeltieren vor und werden meist von Insekten übertragen. In Säugetieren leben sie vor allem im Blut ihres Wirts. Die von den Wissenschaftlern untersuchte Art Trypanosoma brucei löst nicht nur die Afrikanische Schlafkrankheit aus, sondern ist auch der Erreger der Tierseuche Nagana bei Rindern.

Das Genom des Parasiten kodiert für etwa 2000 unterschiedliche Varianten seines Oberflächen-Proteins, wobei nur eine Variante gleichzeitig pro Zelle produziert wird. Da die Immunantwort des Wirts sich immer gegen eine konkrete Variante des Oberflächenproteins richtet, entkommt der Parasit der Immunantwort, indem er das Gen für ein bestimmtes Protein ab- und stattdessen ein anderes anschaltet. Da es einige Zeit dauert, bis die Immunzellen des Wirts das neue Oberflächenprotein als fremd erkennen, erreichen Trypanosomen auf diese Weise eine dauerhafte Infektion.

„Wir interessieren uns vor allem dafür, wie diese genetische Variabilität reguliert wird“, sagt Siegel, dessen Labor zur Tierärztlichen Fakultät gehört und im Biomedizinischen Centrum der LMU angesiedelt ist. Das Erbgut liegt im Zellkern als eng verpackter DNA-Protein-Komplex vor, der als Chromatin bezeichnet wird. Um zu untersuchen, wann welches Gen aktiviert wird, haben die Wissenschaftler erstmals das komplette Genom von T. brucei sequenziert und die dreidimensionale Anordnung der DNA aufgeklärt. Mithilfe von Einzelzellanalysen des Parasiten konnten sie zeigen, dass der Wechsel zwischen verschiedenen Oberflächenproteinen verstärkt wird, wenn zwei bestimmte Varianten von DNA-Verpackungsproteinen entfernt werden. Diese Varianten befinden sich im Chromatin an denselben Stellen, an denen auch die Gene sitzen, die für die Oberflächenproteine kodieren. Durch die Entfernung dieser Varianten verändert sich zum einen die dreidimensionale Struktur der DNA, und zum anderen lockert sich an den entsprechenden Stellen die ansonsten dicht gepackte DNA, sodass neue Gene zugänglich werden. Beide Effekte gemeinsam ermöglichen neue Interaktionen innerhalb der DNA, sodass andere Gene aktiviert werden. „Entscheidend ist dabei, dass wir beide Proteinvarianten entfernt haben“, betont Siegel, „fehlt nur eine, ändert sich zwar die dreidimensionale Struktur der DNA, aber es kommt nicht zu einem Switch der Oberflächenproteine.“

Ein besseres Verständnis dieser Abwehrmechanismen ist auch für die Erforschung anderer Krankheiten wichtig, denn zahlreiche Pathogene haben ähnliche Strategien entwickelt, etwa die Malaria-Erreger, Candida-Pilze und viele Bakterien.

Publikation:
Nature 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Hochautomatisiert unterwegs – OTH Amberg-Weiden schließt Forschungsprojekt Ko-HAF ab

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Pressemeldung der OTH Amberg-Weiden vom 16.10.2018

Hochautomatisiertes Fahren bei höheren Geschwindigkeiten – daran haben 16 Partner aus Industrie, Wissenschaft und öffentlicher Hand seit 2015 gemeinsam im Projekt „Ko-HAF – Kooperatives Hochautomatisiertes Fahren“ erfolgreich geforscht. Die OTH Amberg-Weiden war in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms „Neue Fahrzeug- und Systemtechnologien“ geförderten Forschungsprojekt für die Kommunikation der Fahrzeuge mit einem Safety Server zuständig.

Das Projekt Ko-HAF zielt auf das sichere hochautomatisierte Fahren bei höheren Geschwindigkeiten auf Autobahnen: Solche Systeme muss der Fahrer nicht mehr dauerhaft überwachen. Er kann sich anderen Aufgaben widmen, muss jedoch immer in der Lage sein, die Steuerung nach Aufforderung mit einer gewissen Zeitreserve zu übernehmen. Dazu muss die Vorausschau des Fahrzeugs weiter reichen, als dies mit fahrzeugeigenen Sensoren möglich ist. Hier setzt Ko-HAF an: Fahrzeuge senden Umfeldinformationen (etwa geänderte Straßenführung bei Baustellen oder Hindernisse auf der Fahrbahn) über Mobilfunk an den sogenannten Safety Server. Dort werden diese gesammelt und verdichtet, sodass eine hochgenaue und hochaktuelle Karte zur Verfügung steht. Diese liefert die im Sinne eines künstlichen Horizonts benötigte weitere Vorausschau. Etwaige Änderungen der Karte werden über Mobilfunk an alle Fahrzeuge im Ko-HAF-Verbund übertragen. Die Kommunikationseinheit hierfür wurde durch das Projektteam von Prof. Alfred Höß von der OTH in Amberg entwickelt, realisiert und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.

Bei der Anschlusspräsentation referierte M.Sc. Josef Schmid vom Projektteam der OTH Amberg-Weiden zur Übertragung von hochgenauen Karten. Wie unterschiedlich die erreichbaren Übertragungsgeschwindigkeiten bei Mobilfunk (LTE) im realen Umfeld sein können, wurde an einem Stand und auch live im Forschungsfahrzeug der Hochschule demonstriert.

Externer Link: www.oth-aw.de

Mit dem Virtual-Reality-Handschuh virtuelle Objekte «berühren»

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 15.10.2018

Forscher der ETH Zürich und der EPFL haben einen ultraleichten Handschuh entwickelt, der es seinen Nutzern erlaubt, virtuelle Objekte zu «berühren» und zu manipulieren. Der Handschuh mit dem Namen DextrES wiegt weniger als acht Gramm und gibt seinem Träger ein äusserst realistisches, haptisches Feedback. Zudem bietet er dank künftig möglichem Batteriebetrieb eine noch nie da gewesene Bewegungsfreiheit.

Weltweit befassen sich Ingenieure und Software-Entwickler mit der Entwicklung von Technologien, die es dem Nutzer erlauben, virtuelle Objekte zu berühren, zu greifen und zu manipulieren – mit dem gleichen Gefühl, wie wenn sie etwas in der realen Welt berühren würden. Forschern der EPFL und der ETH Zürich ist mit diesem neuen, haptischen Handschuh soeben ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel gelungen. Der DextrES überzeugt nämlich nicht nur durch sein geringes Gewicht, sondern gibt auch ein äusserst realistisches Feedback. Zudem ist er in der Lage, mit einer Spannung von gerade mal 200 Volt und einigen Milliwatt Leistung an jedem Finger eine Haltekraft von bis zu 40 Newton zu generieren. Und nicht zuletzt besitzt er das Potenzial, um künftig mit nur einer sehr kleinen Batterie betrieben zu werden. Diese Eigenschaften, in Kombination mit dem geringen Formfaktor des Handschuhs – er ist gerade mal 2 mm dick – führen zu einer beispiellosen Präzision und Bewegungsfreiheit.

«Unser Ziel war es, ein leichtgewichtiges Gerät zu entwickeln, das – anders als bestehende Virtual-Reality-Handschuhe – kein sperriges Exoskelett, Pumpen oder sehr dicke Kabel benötigt», erklärt Herbert Shea, Leiter des Soft Transducers Laboratory (LMTS) der EPFL. DextrES wurde an der ETH Zürich erfolgreich von Freiwilligen getestet und wird am kommenden ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST) einem Fachpublikum vorgestellt.

Gewebe, Metallbänder und Elektrizität

Der Handschuh besteht aus Baumwolle und dünnen, elastischen Metallbändern, die über die Finger laufen. Diese Bänder sind durch einen dünnen Isolator voneinander getrennt. Wenn die Finger des Trägers mit einem virtuellen Objekt in Kontakt kommen, appliziert die Steuereinheit eine Spannungsdifferenz zwischen den Metallbändern, die dazu führt, dass sie aufgrund elektrostatischer Anziehung zusammenkleben. Dies wiederum erzeugt eine Bremskraft, die die Bewegungen der Finger oder des Daumens blockiert. Sobald die Spannung unterbrochen wird, gleiten die Metallbänder wieder reibungslos, und der Träger kann seine Finger frei bewegen.

Das Hirn austricksen

Zurzeit wird DextrES noch über ein sehr dünnes elektrisches Kabel mit Strom versorgt. Dank der geringen erforderlichen Spannung und Leistung könnte letztlich jedoch eine kleine Batterie diese Aufgabe übernehmen. «Das System benötigt deshalb so wenig Strom, weil keine Bewegung erzeugt, sondern eine gebremst wird», so Shea. Um herauszufinden, wie exakt reale Bedingungen simuliert werden müssen, um dem Nutzer ein realistisches Erlebnis zu verschaffen, sind nun weitere Tests erforderlich. «Die menschliche Sensorik ist hochentwickelt und hochkomplex. In den Fingergelenken und eingebettet in die Haut, verfügen wir über eine hohe Dichte an unterschiedlichen Rezeptoren. Die Wiedergabe eines realistischen Feedbacks in der Interaktion mit virtuellen Objekten stellt deshalb eine grosse Herausforderung dar, die zurzeit noch ungelöst ist. Unsere Arbeit geht einen Schritt in diese Richtung, indem wir uns insbesondere auf das kinästhetische Feedback fokussieren», erklärt Otmar Hilliges, Leiter des Advanced Interactive Technologies Lab der ETH Zürich.

Im Rahmen dieses gemeinsamen Forschungsprojekts wurde auf dem Microcity-Campus der EPFL in Neuenburg die Hardware entwickelt, während an der ETH Zürich das Virtual-Reality-System kreiert und die Nutzertests durchgeführt wurden. «Unsere Partnerschaft mit dem LMTS-Lab der EPFL hat sich als goldrichtig erwiesen. Sie erlaubt es uns, eine der ältesten Herausforderungen im Bereich Virtual Reality mit einer Geschwindigkeit und in einer Präzision anzugehen, die anderweitig nicht möglich wären», ergänzt Hilliges.

Der nächste Schritt wird nun eine Vergrösserung des Gerätemassstabs und damit einhergehend der Einsatz an anderen Körperteilen mittels eines leitfähigen Gewebes sein. «Gamer sind heute der grösste Markt. Es gibt jedoch zahlreiche weitere mögliche Anwendungsgebiete, insbesondere im Gesundheitswesen – beispielsweise für die Schulung von Chirurgen. Möglich wäre der Einsatz der Technologie auch in Augmented-Reality-Anwendungen», so Shea.

Externer Link: www.ethz.ch

Besser sehen durch Schall

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Presseaussendung der TU Wien vom 27.09.2018

Eine neue, vielversprechende Mikroskopiemethode wurde an der TU Wien entwickelt – die „Nanomechanische Absorptions-Mikroskopie“. Gemessen wird dabei nicht Licht, sondern Schall.

Einzelne Moleküle kann man nicht fotografieren. Wenn man Objekte abbilden will, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, muss man sich besondere Tricks einfallen lassen. Man verwendet etwa Elektronenmikroskope oder bestimmt die Position bestimmter fluoreszierender Moleküle, indem man eine große Zahl von Bildern nacheinander aufnimmt.

Ein Team der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien konnte jetzt nach jahrelanger Forschung eine neue Mikroskopie-Methode präsentieren, mit der man einzelne Moleküle abbilden und sogar zuverlässig bestimmen kann. Die Moleküle werden auf einer winzigen Membran platziert und mit einem Laser bestrahlt. Gemessen wird, wie sich das Schwingungsverhalten der Membran dadurch verändert. Die entscheidende Messgröße ist somit nicht Licht, sondern eine mechanische Schwingung – also Schall. Veröffentlicht wurde die neue Methode nun im renommierten Fachjournal PNAS.

Das Molekül auf der Membran

Prof. Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und winzigen mechanischen Strukturen. „Wir bringen einzelne Moleküle auf ganz bestimmte, extrem dünne Membranen auf“, erklärt er. „Danach wird die Membran von einem Laserstrahl abgetastet.“

Die Wellenlänge des Laserlichts wird so gewählt, dass es besonders stark mit dem gesuchten Molekül wechselwirkt. Trifft der Laserstrahl auf das Molekül, nimmt es Energie auf und erwärmt dadurch die Membran in seiner Umgebung. Diese Erwärmung wiederum bewirkt, dass sich die Schwingfrequenz der Membran verstimmt.

„Man kann sich das vorstellen wie eine kleine Trommel“, erklärt Silvan Schmid. „Wenn sich die  Trommelmembran erwärmt, wird sich auch das Trommelgeräusch ändern. Dasselbe geschieht bei unseren Mikro-Membranen.“

Die Membran schwingt mit einer Frequenz in der Größenordnung von etwa 20 Kilohertz – das entspricht einem sehr hohen Ton, in einem Frequenzbereich den zumindest Kinder normalerweise gerade noch hören können. Das Geräusch der Membran im nanomechanischen Absorptions-Mikroskop ist aber freilich viel zu leise um wahrgenommen zu werden. Es wird mit optischen Sensoren gemessen.

Wenn man die gesamte Membran Punkt für Punkt mit dem Laser beleuchtet und jedes Mal die akustische „Verstimmung“ der Membran misst, kann man dann berechnen, wo ein Molekül sitzt – und so lässt sich ein Bild mit hohem Kontrast erzeugen. „Wir haben die Methode auf Fluorophore angewandt, das sind fluoreszierende Moleküle, die auch mit anderen Methoden abgebildet werden können. Dadurch konnten wir zeigen, dass unser Schwingungs-Bild tatsächlich stimmt“, sagt Silvan Schmid. „Unsere Methode lässt sich allerdings auch auf andere Moleküle anwenden. Man muss nur die Wellenlänge des Laserlichts richtig wählen.“

Auf die Membran kommt es an

Entscheidend für das Funktionieren der neuen Methode war, passende Membranen herzustellen. „Wir benötigen ein Material, das sein Schwingungsverhalten möglichst deutlich ändert, wenn es durch einzelne Moleküle lokal erwärmt wird“, sagt Silvan Schmid. „Gelungen ist uns das schließlich mit Siliziumnitrid-Membranen mit einer Oberfläche aus Siliziumoxid.“

Silvan Schmids Forschungsteam arbeitete bei diesem Projekt mit der Biophysik-Forschungsgruppe von Prof. Gerhard Schütz (ebenfalls TU Wien) zusammen, die sich auf besonders herausfordernde Mikroskopie-Techniken spezialisiert hat.

Anwendungsmöglichkeiten für die neue Technologie gibt es viele: „Unsere neue Methode liefert ein sehr deutliches, klares Signal. Dadurch ist sie für viele Bereiche interessant. Man kann auf diese Weise einzelne Moleküle lokalisieren und analysieren, man kann Detektoren für winzige Stoffmengen bauen, man kann sie aber auch für die Festkörper-Forschung einsetzen, etwa um elektronische Schwingungen in Nano-Antennen zu messen“, sagt Silvan Schmid. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Chien et al, Single-molecule optical absorption imaging by nanomechanical photothermal sensing, PNAS (2018).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Elektronensysteme: Präzise Untersuchung einzelner Randkanäle

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.09.2018

Mit einer neuen Methode lässt sich erstmals ein individueller Fingerabdruck von stromleitenden Randkanälen erstellen, wie sie in neuartigen Materialien wie zum Beispiel topologischen Isolatoren vorkommen. Physiker der Universität Basel stellen das Verfahren zusammen mit amerikanischen Wissenschaftlern in «Nature Communications» vor.

Während Isolatoren keinen elektrischen Strom leiten, gibt es einige Materialien, die über besondere elektrische Eigenschaften verfügen: sie können zwar nicht in ihrem Innern, aber aufgrund von Quanteneffekten an ihrer Oberfläche und an ihren Rändern elektrische Ströme übermitteln, und dies sogar verlustfrei.

Diese sogenannten topologischen Isolatoren stehen seit einigen Jahren im Fokus der Festkörperforschung, da ihre besonderen Eigenschaften technologische Innovationen versprechen – beispielsweise für elektronische Bauelemente.

Stromfluss nur am Rand

Ähnliche Effekte wie die Randströme in den topologischen Isolatoren zeigen sich auch, wenn ein zweidimensionales Metall bei tiefen Temperaturen einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird. Tritt der sogenannte Quanten-Hall-Effekt ein, fliesst Strom nur noch an den Grenzflächen. Dabei bilden sich mehrere stromleitende Bereiche.

Individuelle Untersuchung möglich

Bisher war es nicht möglich, diese leitenden Bereiche individuell zu untersuchen beziehungsweise die Position eines einzelnen Randzustands zu messen. Ein neues Verfahren erlaubt nun erstmals, einen exakten Fingerabdruck der leitenden Bereiche mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu erstellen.

Dies berichten Forscher des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel zusammen mit Kollegen der University of California Los Angeles sowie der Universitäten Harvard und Princeton (USA).

Zur Messungen der leitenden Bereiche haben sich die Physiker um Professor Dominik Zumbühl von der Universität Basel die Tunnelspektroskopie zunutze gemacht.

Sie verwenden einen Nanodraht aus Galliumarsenid, der sich auf dem Rand der Probe befindet und parallel zu den Randkanälen verläuft. Elektronen können nun zwischen dem Nanodraht und spezifischen Randzuständen hin und her hüpfen (tunneln), falls die Impulse in beiden Systemen übereinstimmen. Mithilfe eines zweiten Magnetfeldes kontrollieren die Wissenschaftler den Impuls der tunnelnden Elektronen, wodurch sie einzelne Randzustände individuell ansteuern können. Aus den gemessenen Tunnelströmen lassen sich die Position und der Verlauf jedes Randzustands mit einer Präzision im Nanometerbereich berechnen.

Mehr als eine Momentaufnahme

Wird bei Quanten-Hall-Systemen die Stärke des angelegten Magnetfeldes erhöht, ändert sich die Verteilung der Randzustände und ihre Anzahl sinkt. Mit der neuen Methode konnten die Wissenschaftler erstmals den gesamten Verlauf der Randzustände inklusive ihrer Entstehung bei kleinen Magnetfeldern beobachten.

Mit zunehmender Magnetfeldstärke werden die Randzustände zunächst gegen den Materialrand gedrückt und wandern schliesslich in die Mitte der Probe, wo sie vollständig verschwinden. Analytische und numerische Modelle, die das Forscherteam erstellt hat, stimmten sehr gut mit den experimentellen Daten überein.

«Wir können diese neue Technik nicht nur zur Untersuchung des Quanten-Hall-Effektes einsetzen», kommentiert Dominik Zumbühl die Ergebnisse der internationalen Zusammenarbeit. «Auch bei der Untersuchung exotischer neuer Materialien wie beispielsweise topologischen Isolatoren, Graphen oder anderer 2D-Materialien erhoffen wir bahnbrechende Erkenntnisse durch Anwendung der neuen Methode.»

Originalpublikation:
T. Patlatiuk, C. P. Scheller, D. Hill, Y. Tserkovnyak, G. Barak, A. Yacoby, L. N. Pfeiffer, K.W. West, and D. M. Zumbühl
Evolution of the quantum Hall bulk spectrum into chiral edge states
Nature Communications (2018), doi: 10.1038/s41467-018-06025-3

Externer Link: www.unibas.ch