Archiv der Kategorie: Hochschule

Zucker gefangen

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 23.08.2018

LMU-Chemiker haben ein künstliches Molekül entwickelt, das Zuckerbindungen erkennt und bindet.

Ein Team um Professor Ivan Huc, Leiter der Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU, hat eine künstliche molekulare Struktur in Form einer spiralförmigen Kapsel entwickelt und synthetisiert, die gezielt ein spezielles Zuckermolekül erkennen und „fangen“ kann: Xylobiose, wie herkömmlicher Zucker ein Disaccharid. Die Studie erscheint aktuell im Magazin Angewandte Chemie und wurde vom Herausgeber als „Very Important Paper“ ausgewählt – was nur weniger als fünf Prozent aller Veröffentlichungen des Journals vorbehalten ist.

Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur auf kleinster Ebene nach – als biomimetisch wird sein Ansatz daher bezeichnet. Bei der Synthese chemischer Stoffe lässt er sich von den Prinzipien inspirieren, die der Organisation von Biopolymeren zugrunde liegen: Biopolymere wie Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide bestehen typischerweise aus mehreren Untereinheiten, deren Sequenzen und räumliche Anordnung ihre strukturellen und funktionalen Eigenschaften festlegen. Ivan Huc kreiert künstliche Moleküle, Foldamere, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen. In der aktuellen Arbeit ging es Ivan Huc zusammen mit Mitarbeitern an der Universität Bordeaux, von wo er 2017 an die LMU wechselte, darum, mit diesem Ansatz ein Foldamer zu entwickeln, das gezielt Disaccharide bindet.

Dies ist dem Team bei Xylobiose gelungen. Wie die Analyse der Kristallstruktur zeigt, fängt das Foldamer das Disaccharid in einer spiralförmigen Kapsel ein und umhüllt es vollständig. Dabei geht das Disaccharid in axialer Position eine ungewöhnlich kompakte Konstellation ein: Zwischen dem gefangenen Zucker und der Kapselwand bildet sich ein dichtes Netz aus Wasserstoffbrücken. Damit dies gelingt, hat das Team den Rezeptor so gestaltet, dass die Kapsel etwas größer ist als nötig. Die vorliegende Arbeit zeigt, mit welcher Präzision sich „first principle design“, wie Ivan Huc seinen Ansatz nennt, realisieren lässt. “Es ist uns allein aufgrund der Erkenntnisse, die wir über die grundlegenden Prinzipien der Molekülerkennung und Faltung dieser Stoffe haben, gelungen, einen spezifischen Rezeptor zu entwickeln”, sagt Ivan Huc. In einem nächsten Schritt werden die Forscher versuchen, den Mechanismus auch in einem wässrigen Medium ablaufen zu lassen. Zudem planen sie, die spiralförmigen Rezeptoren zu Sensoren zu machen, zum Beispiel um Saccharide in lebenden Systemen bestimmen und darstellen zu können.

Originalpublikation:
Angewandte Chemie 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Wenn Schwefel spurlos verschwindet

Veröffentlicht am von

Pressemeldung der Universität Wien vom 16.08.2018

Neue einfache Reaktion, um „verwandte“ biologisch aktive Moleküle herzustellen

In vielen Naturprodukten und Medikamenten spielen Dicarbonyle eine wesentliche Rolle – die Herstellung einiger solcher Verbindungen ist aber eine Herausforderung. In ihrer aktuellen Studie ist es Nuno Maulide und seinen Mitarbeitern von der Fakultät für Chemie der Universität Wien gelungen, eine neue Syntheseroute für diese Moleküle zu entwickeln. Sie nutzen dazu oxidierte Schwefelverbindungen, ohne dass Schwefel selbst im Produkt auftaucht. Die Ergebnisse dazu erscheinen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift „Science“.

Wir benötigen ständig neue Moleküle: Innovative Medikamente müssen entworfen und getestet, funktionelle Materialen hergestellt werden – eine Aufgabe für organische ChemikerInnen. Diese analysieren zunächst die funktionellen Gruppen im Zielmolekül und wählen danach ihre Strategie, um eine neue Substanz zu synthetisieren.

Für manche Moleküle ist es nicht so einfach, eine passende Strategie zu finden, wenn die Abstände der Funktionalitäten nicht der „natürlichen“ Polarität der möglichen Ausgangsstoffe entsprechen. Das klassische Beispiel hierfür sind Verbindungen mit zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen (sogenannte „Carbonyl“-Gruppen), die durch vier Kohlenstoffe voneinander getrennt sind. „Diese sogenannten 1,4-Dicarbonylverbindungen sind wesentlich schwerer herzustellen als die entsprechenden 1,3- oder 1,5-Analoga, denn in diesen Fällen ist eine sogenannte „Umpolung“ eines der Reaktionspartner notwendig“, erklärt Nuno Maulide, Professor für Organische Synthese an der Fakultät für Chemie der Universität. Dies ist ein großes Manko, besonders da 1,4-Dicarbonyle in vielen Naturprodukten, Medikamenten und einer Reihe an medizinisch verwendeten Enzyminhibitoren vorkommen.

Nuno Maulide und seine Mitarbeiter vom Institut für Organische Chemie der Universität Wien haben nun eine neue Syntheseroute für diese Moleküle entwickelt, bei der oxidierte Schwefelverbindungen, sogenannte Sulfoxide, als Reagenzien zum Einsatz kommen. „Wir machen uns mehrere Eigenschaften des Schwefels zunutze, ohne dass Schwefel selbst im unserem Produkt auftaucht“, erklärt Immo Klose, DOC-Stipendiat der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Co-Autor der Studie: „Diese Reaktion ist faszinierend: Es ist nicht auf den ersten Blick ersichtlich, wie aus den Ausgangsstoffen das Produkt entsteht“. In der Tat verlässt der Schwefel während der Reaktion das reaktive Zwischenprodukt, ChemikerInnen sprechen in diesem Fall von einer „traceless reaction“ („spurlosen Reaktion“).

Die Forscher konnten außerdem zeigen, dass jedes der vier möglichen Isomere selektiv durch die Wahl des richtigen Sulfoxids erhalten werden kann. „Unsere Sulfoxide haben zwei Wahlmöglichkeiten: den Schwefel und die beiden benachbarten Kohlenstoffe. Daraus ergeben sich vier mögliche Kombinationen“, erklärt Dainis Kaldre, ehemaliger Postdoc am Institut für Organische Chemie und Co-Erstautor. „Das Besondere ist, dass jede dieser vier Möglichkeiten zu einer anderen Konfiguration im Reaktionprodukt führt“, sagt Kaldre. Die Möglichkeit, alle Isomere mit derselben Methode herzustellen, macht diese Reaktion extrem nützlich und vielseitig.

Neue Wirkstoffmoleküle freigeschalten

„Die Vielfalt unserer Methode kann für eine enome Anzahl an neuen möglichen Wirkstoffbausteinen genutzt werden, die vorher nicht zugänglich waren“, erklärt Maulide. Für die aktuelle Publikation in Science stellte die Arbeitsgruppe um Maulide auf einfachem Wege Matrix-Metalloproteinase-Inhibitoren her. „Zuvor gab es keine gute Möglichkeit diese Verbindungen herzustellen; es war vor allem schwierig, eine bestimmte Konfiguration selektiv zu erhalten. Mit unserer Methode lassen sich alle vier möglichen Produkte nach Belieben herstellen“, freut sich Maulide.

Die reaktive Spezies, mit der die Sulfoxide zur den Produkten überführt werden, gehört zu den exotischen Zwischenstufen der „Vinylkationen“. Maulide erforscht diese im Rahmen des prestigeträchtigen ERC Consolidator Grants, der mit rund zwei Millionen Euro Forschungsgeld dotiert ist. „Es ist bemerkenswert, wie einfach Grundlagenforschung an exotischen Molekülen zu Durchbrüchen für unsere Gesellschaft führen kann“, so Maulide abschließend.

Originalpublikation:
Science, 2018.
„Stereodivergent synthesis of 1,4-dicarbonyls by traceless charge–accelerated sulfonium–rearrangement“: Dainis Kaldre, Immo Klose und Nuno Maulide.
DOI: 10.1126/science.aat5883

Externer Link: www.univie.ac.at

Die künstliche Plazenta im Labor

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 13.08.2018

Um wichtige Bio-Membranen besser zu verstehen, muss man zu neuen Methoden greifen: An der TU Wien stellte man mit 3D-Druck-Verfahren eine künstliche Plazentabarriere auf einem Chip her.

Die Plazenta hat eine wichtige und hochkomplizierte Aufgabe: Sie muss dafür sorgen, dass zwischen der Mutter und ihrem ungeborenen Kind wichtige Substanzen ausgetauscht werden und gleichzeitig anderen Substanzen der Durchgang versperrt wird. Längst hat man noch nicht vollständig verstanden, wovon die Durchlässigkeit der Plazenta abhängt – schließlich ist es kaum möglich, ihre Funktion am Menschen direkt zu untersuchen.

An der TU Wien stellte man daher nun ein künstliches Plazenta-Modell her, das dem natürlichen Vorbild sehr nahekommt: Mit speziell entwickelten lasergesteuerte 3D-Druck-Verfahren kann man aus Hydrogelen hochpräzise Formen herstellen, die dann mit Plazenta-Zellen besiedelt werden. Damit wird es nun möglich, wichtige Forschungsfragen zu klären, etwa über den Glucose-Austausch zwischen Mutter und Kind.

Komplexer Stoffaustausch zwischen Mutter und Kind

„Der Transport von Substanzen durch biologische Membranen spielt in verschiedenen Bereichen der Medizin eine wichtige Rolle“, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Etwa in der Blut-Hirn-Schranke, bei der Nahrungsaufnahme in Magen und Darm oder eben in der Plazenta.“

So gibt es etwa zahlreiche Studien darüber, dass sich Krankheiten der Mutter wie etwa Diabetes auf das ungeborene Kind auswirken können. Auch Bluthochdruck kann den Stofftransport zum Fetus beeinflussen. Auf welche Weise in solchen Fällen aber die vielen beteiligten Parameter zusammenspielen, konnte bisher kaum untersucht werden.

Spezialchip mit Bio-Trennwand aus dem 3D-Drucker

An der TU Wien arbeitet man daher daran, Organstrukturen auf kompakten Chips nachzubilden, um so wichtige Aspekte ihrer Funktion unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. „Unser Chip besteht aus zwei Bereichen – eine repräsentiert den Fötus, der andere die Mutter“, erklärt Denise Mandt, die im Rahmen ihrer Diplomarbeit an dem Projekt arbeitete. „Dazwischen stellen wir in einem speziellen 3D-Druck-Verfahren eine Trennwand her – die künstliche Plazentamembran.“

An solchen hochauflösenden 3D-Druck-Verfahren arbeitet man an der TU Wien seit Jahren mit großem Erfolg: Man verwendet Materialien, die mit Hilfe von Laserstrahlen zum Aushärten gebracht werden können. So kann man Punkt für Punkt mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich die gewünschten 3D-Strukturen herstellen. „In unserem Fall handelt es sich dabei um ein Hydrogel mit guter Bioverträglichkeit“, erklärt Aleksandr Ovsianikov. „Nach dem Vorbild der natürlichen Plazenta stellen wir eine Oberfläche mit kleinen, gewundenen Zotten her. Dort können sich dann Plazentazellen ansiedeln und eine Oberfläche erzeugen, die der natürlichen Plazenta sehr ähnlich ist.“

Das Organ auf dem Chip

„Die Organ-on-a-Chip Technologie ist ein revolutionärer Ansatz in der Biomedizin, der in den letzten Jahren großes Interesse in der klinischen Diagnostik, Biotechnologie und Pharmazie erzeugt hat“, sagt Prof. Peter Ertl, Leiter der Cell-Chip-Forschungsgruppe, die maßgeblich an dem Projekt beteiligt war. „Die Erzeugung von humanen Miniorganen am Chip soll dazu führen, dass patientenspezifische Therapieansätze entwickelt werden können, und stellt außerdem auch eine wichtige Methode für den Ersatz von Tierversuchen dar.“

Am Chip können wichtige biologische Parameter wie Druck, Temperatur, Geometrie und Nährstoffversorgung der Miniorgane sowie die Zugabe von Medikamenten genau kontrolliert werden. So wird es möglich, Krankheitsverläufe und Heilungsraten genau zu beobachten.

In ersten Tests konnte bereits gezeigt werden, dass sich die künstliche Plazenta am Chip tatsächlich ähnlich wie eine natürliche Plazenta verhält: Kleine Moleküle werden durchgelassen, große werden aufgehalten. Nun soll das Modell verwendet werden, um gezielt wichtige Aspekte des Nährstofftransports von der Mutter zum Fötus zu untersuchen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
D. Mandt et al., Fabrication of placental barrier structures within a microfluidic device utilizing two-photon polymerization, International Journal of Bioprinting, 4,2 (2018).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Neues Computersystem erkennt Persönlichkeit eines Menschen anhand seiner Augenbewegungen

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 24.07.2018

Menschen erkennen Gesten und deuten Blicke blitzschnell und nahezu automatisch. Computer und Roboter schaffen dies nicht. Daher forschen Wissenschaftler weltweit daran, wie man die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Computer sozialer, effizienter und flexibler gestalten kann. Informatiker aus Saarbrücken und Stuttgart haben nun zusammen mit Psychologen aus Australien einen wichtigen Meilenstein erreicht. Das von ihnen entwickelte Softwaresystem verarbeitet die Augenbewegungen einer Person, um zu berechnen, ob diese verletzlich, gesellig, verträglich, gewissenhaft oder neugierig ist.

„Mit unseren Augen erfassen wir nicht nur die Umgebung, sie sind auch das Fenster zu unserer Seele. Denn sie verraten, wer wir sind, wie wir uns fühlen und was wir machen“, erklärt Andreas Bulling, der in Saarbrücken am Max-Planck-Institut für Informatik und am Exzellenzcluster der Universität des Saarlandes die Forschungsgruppe „Perceptual User Interfaces“ leitet. Mit Wissenschaftlern in Stuttgart und Australien hat Bulling ein eigenes Softwaresystem so trainiert, dass es Augenbewegungen auswerten und darüber auf die Charakterzüge einer Person schließen kann. Das Forscherteam verwendete dafür spezielle Rechenverfahren des Maschinellen Lernens.

Um die Daten für das Training und die Evaluierung zu erhalten, wirkten an der Flinders University in Australien 50 Studenten, darunter 42 Frauen und acht Männer, im Durchschnittsalter von 22 Jahren mit. Nach ihrer Ankunft im Labor statteten die Forscher die Studenten mit einem sogenannten „Eye Tracker“ aus. Dieser filmte die Augenbewegungen der Probanden, während sie rund zehn Minuten über den Campus schlenderten und sich einen Kaffee oder andere Artikel im Campus-Laden kauften. Danach baten die Wissenschaftler die Studenten, die Brillen abzulegen und spezielle Fragebögen auszufüllen, um so auf herkömmliche Art und Weise die Persönlichkeit und den Grad der Neugierde zu bestimmen.

„Um die aufgenommenen Augendaten unabhängig von der jeweiligen Dauer der Aufnahme zu analysieren, haben wir mit einem verschiebbaren Zeitfenster gearbeitet, da so keine Charakteristika abgeschwächt werden“, erklärt Bulling. Aus jedem der sich ergebenden Zeitfenster gewannen die Forscher 207 Merkmale. Zu diesen gehörten Statistiken über Blickfixierungen ebenso wie die Blinzel-Rate. Basierend darauf und auf den Informationen aus den Fragebögen fassten die Forscher pro Persönlichkeitszug rund 100 Entscheidungsbäume zu einem Klassifikator zusammen und trainierten diesen. Das Ergebnis: Im anschließenden Test mit bisher noch nicht verwendetem Datenmaterial konnten sie nachweisen, dass das Softwaresystem sicher Charakterzüge wie emotionale Labilität, Geselligkeit, Verträglichkeit und Gewissenhaftigkeit erkennt.

„Das so gewonnene Wissen über nonverbales Verhalten können wir auch auf Roboter übertragen, so dass diese sich wie Menschen benehmen. Solche Systeme würden dann auf eine viel natürlichere Weise mit Menschen kommunizieren und wären dadurch effizienter und flexibler einsetzbar“, erklärt Bulling den Nutzen der Forschungsergebnisse. Gemeinsam mit Sabrina Hoppe von der Universität Stuttgart, Tobias Loetscher von der University of South Australia im australischen Adelaide und Stephanie Morey von der Flinders University, ebenfalls in Adelaide, hat Andreas Bulling die Ergebnisse in dem Aufsatz „Eye Movements During Everyday Behavior Predict Personality Traits“ diskutiert, den die Forscher im Journal „Frontiers in Human Neuroscience“ veröffentlicht haben. Das Projekt wurde finanziert aus Mitteln des australischen Forschungsrates, des Exzellenzclusters „Multimodal Computing and Interaction“ an der Universität des Saarlandes und durch ein Promotionsstipendium der Stiftung des deutschen Volkes.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Mehr Sicherheit für sensible Daten: EU-Projekt PRISMACLOUD zieht erfolgreiche Schlussbilanz

Veröffentlicht am von

Pressemeldung der Universität Passau vom 24.07.2018

Zweimal mit dem schwarzen Filzstift drüber und dann durch den Kopierer lassen: So stellte man früher sicher, dass ein Dokument nur noch an den gewünschten Stellen lesbar war. Wissenschaftler des Lehrstuhls für IT-Sicherheit an der Universität Passau haben im EU-Forschungsprojekt PRISMACLOUD erfolgreich neuartige kryptographische Methoden eingesetzt, um für mehr Sicherheit und Datenschutz für Nutzerinnen und Nutzer der Cloud zu sorgen – u. a. durch eine Form der digitalen Schwärzung, die sensible Daten zukünftig deutlich sicherer macht.

„PRISMACLOUD erarbeitet ein Portfolio neuartiger Cloud Services, um die nötige Sicherheit sensibler Daten in der Cloud mit kryptographischen Verfahren zu erhöhen“, so Projektleiter Prof. Dr. Joachim Posegga, Inhaber des Lehrstuhls für IT-Sicherheit an der Universität Passau.

Im Fokus: Sicherung von Gesundheitsdaten

An der Universität Passau lag der wissenschaftliche Fokus auf der Sicherung von Gesundheitsdaten gegen unerkannte unerlaubte Änderung (Schutz der Integrität). Für Patientinnen und Patienten ist alleine schon die Frage, wer Daten über medizinische Behandlungen in welchem Maße einsehen und verwenden können soll, sehr sensibel: „Der Krankenkasse möchte man die Behandlung belegen, aber nicht unbedingt deren Ergebnisse. In anderen Situationen kann es wichtig sein, dass die Echtheit der Daten zweifelsfrei beweisbar ist. Und ganz sicher wollen Patienten nicht riskieren, dass Drittanbieter, welche die Daten verwalten, in irgendeiner Weise Eingriffe vornehmen können“, erklärt Henrich C. Pöhls, der den Schwerpunktbereich zur Entwicklung sicherer Cloud-Services innerhalb des international besetzten Forschungsprojektes koordiniert hat.

Rechenfehler der Cloud werden sofort erkennbar

Der Fokus von PRISMACLOUD liegt daher auf kryptographischen Methoden zur Erhöhung der Sicherheit und der Privatsphäre für Cloud-Nutzerinnen und -Nutzer, sowie auf der Umsetzung dieser Methoden in der Software. Dabei wurde durch das sogenannte „verifiable computing“ erreicht, dass das Ergebnis einer korrekten statistischen Berechnung aus zuvor signierten Eingangswerten auch eine prüfbare digitale Signatur trägt. Diese Signatur erlaubt, dass die Korrektheit der statistischen Berechnung stets geprüft werden kann. „Rechenfehler der Cloud fallen damit sofort auf und der Arzt oder Cloud-Kunde kann sich umgehend beschweren“, so Pöhls.

Schwärzen ja – aber die Signatur bleibt erhalten

Des Weiteren ermöglicht PRISMACLOUD, abermals über die praktische Implementierung geeigneter Kryptographie in modernen Cloud-Services, integritäts-gesicherte Dokumente nachträglich so zu „schwärzen“, das gewisse Bereiche von signierten Gesundheitsdaten hinterher unwiederbringlich gelöscht sind. Dennoch behält die digitale Signatur für die restlichen Daten ihre Gültigkeit. Dies wird durch sogenannte „editierbare Signaturen“ („redactable signatures“) bewerkstelligt, deren Einsatzmöglichkeiten, kryptographische Feinheiten und rechtliche Relevanz am Lehrstuhl für IT-Sicherheit von Henrich C. Pöhls erforscht werden.

Sichere Cloud benötigt Zusammenarbeit unterschiedlicher Expertinnen und Experten

Der Projektbeitrag der Universität koordinierte zugleich auch die Interaktion zwischen Expertinnen und Experten aus den drei beteiligten – zum Teil recht unterschiedlichen – Disziplinen: Kryptographie, Software-Entwicklung und Anwendungs-Experten. „Erst wenn diese drei Gruppen eine gemeinsame Sprache sprechen und koordiniert zusammenarbeiten, fördert dies den schnellen und sicheren Einsatz auch modernster kryptographischer Verfahren in der Praxis“, fasst Henrich C. Pöhls den Lösungsansatz von PRISMACLOUD zur Entwicklung sicherer Cloud-Services zusammen. Er koordinierte hierzu die Zusammenarbeit der internationalen Experten aus Industrie und akademischer Forschung und entwickelte hierfür geeignete Kommunikationsstrategien und -hilfsmittel.

Die EU förderte PRISMACLOUD von 2015-2018 mit rund acht Millionen Euro aus dem 8. Forschungsrahmenprogramm HORIZON 2020 (Vereinbarung Nr. 644962), zudem erhielt PRISMACLOUD rund 500.000 Euro Fördermittel von SERI-Swiss State Secretariat for Education. Die Gesamtprojektleitung hat das Austrian Institute of Technology inne. (Katrina Jordan)

Externer Link: www.uni-passau.de