Archiv der Kategorie: Hochschule

Forscher ahmen molekulares Gedränge nach

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 01.03.2017

Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen Bedingungen nun erstmals in künstlichen Vesikeln naturgetreu simulieren. Die Erkenntnisse helfen der Weiterentwicklung von Nanoreaktoren und künstlichen Organellen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Small».

Im Inneren einer Zelle herrscht dichtes Gedränge. Neben hunderttausenden Makromolekülen wie Proteinen tummelt sich eine Unzahl an DNA, RNA und kleineren Molekülen und bilden eine dickflüssige Wasserlösung. Diese Enge nennt man in der Wissenschaft «molecular crowding». Der Effekt kann dazu führen, dass sich einige Eigenschaften eines Moleküls wesentlich verändern.

Das Verhalten eines «freien» Proteins oder Enzyms in einem Reagenzglas lässt sich also nicht unbedingt auf die natürlichen Vorgänge übertragen, da die Viskosität innerhalb einer lebenden Zelle viel höher ist als in einer normalen Wasserlösung. Im Labor konnte bisher allerdings nur die hohe Konzentration an Molekülen nachgeahmt werden, nicht aber gleichzeitig der geschlossene Raum wie beispielsweise in einer Zelle.

Mutter Natur nachahmen

Ein Forscherteam um Prof. Wolfgang Meier von der Universität Basel hat nun ein System entwickelt, welches dem natürlichen Vorbild einen wesentlichen Schritt näherkommt, indem es erstmals den Crowding-Effekt innerhalb eines geschlossenen Vesikels simuliert hat. «Das Milieu innerhalb einer Zelle wirkt sich wesentlich auf die stattfindenden chemischen Reaktionen aus, weshalb wir dieses so naturgetreu wie möglich nachahmen wollen», so Meier.

Um die zelluläre Umgebung nachzubauen, stellten die Forscher vom Departement Chemie nanoskopische Vesikel her, sogenannte Polymersome, und beluden diese mit dem Enzym Meerrettichperoxidase, sowie einer hochviskosen Lösung als Crowding-Komponente. Dadurch liess sich zum ersten Mal die Kinetik von chemischen Reaktionen durch ein bestimmtes Enzym unter Berücksichtigung von «molecular crowding» und in einem abgeschlossenen Raum bestimmen. Es zeigte sich deutlich, dass beide Faktoren die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen.

Chemische Reaktionsgeschwindigkeit regulieren

«Unser Design berücksichtigt die natürlichen Umgebungsfaktoren, die die Leistung von Enzymen beeinflussen, und bringt uns so wesentlich weiter in der Entwicklung von Nanoreaktoren», sagt Meier. Die Resultate deuten ebenfalls daraufhin, dass sich das Verhalten von Enzymen durch den Einsatz des Crowding-Effekts gezielt regulieren lässt – ein wichtiger Faktor in der Entwicklung künstlicher Organelle für Enzymersatztherapien.

Originalartikel:
Patric Baumann, Mariana Spulber, Ozana Fischer, Anja Car, Wolfgang Meier
Investigation of horseradish peroxidase kinetics in an “organelle like” environment
Small (2017), doi: 10.1002/smll.201603943

Externer Link: www.unibas.ch

Der Mann aus dem Eis: Forscher beweisen die Stabilität von genetischen Markern

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 16.02.2017

Biomarker sind biologische Merkmale, die Ärzten oder Forschern Hinweise auf den Gesundheitszustand oder Erkrankungen eines Patienten geben können. Große Hoffnungen setzen Wissenschaftler auf einen neuen Typ von Biomarkern, sogenannte microRNAs. Diese kurzen Ribonukleinsäure-Moleküle zeichnen sich durch eine sehr hohe Stabilität aus. Forscher der Universität des Saarlandes, der Universität Luxemburg und des Forschungszentrums EURAC Research in Bozen haben nun festgestellt, dass solche microRNAs noch nach 5300 Jahren stabil sein können. Sie wiesen die Moleküle in der berühmten Gletschermumie „Ötzi“ nach.

Die im Jahr 1991 in den Ötztaler Alpen in Südtirol gefundene Gletschermumie ist nicht nur unter Namen wie „Der Mann aus dem Eis“ und „Ötzi“ bekannt, es existieren auch eine Reihe wissenschaftlich gesicherte Fakten: Durch bildgebende Verfahren weiß man von seinen Abnutzungserscheinungen an der Lendenwirbelsäule und einer tödlichen Pfeilwunde an der linken Schulter. Analysen seines Erbgutes (DNA) zeigten, dass Ötzi keinen Milchzucker verdauen konnte, braune Augen und die Blutgruppe 0 hatte. Nun liegt auch eine Studie über die microRNAs des Ötzi vor. MicroRNAs sind sehr kleine Stücke der Ribonukleinsäure (RNA) und spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung von Genen.

Obwohl diese Moleküle im Gewebe sehr stabil sind, war bis zu der aktuellen Studie unklar, ob sie auch über Zeiträume von mehreren tausend Jahren in menschlichen Geweben nachgewiesen werden können. Daher nahmen sich die Professoren Andreas Keller und Eckart Meese von der Universität des Saarlandes, Stephanie Kreis von der Universität Luxemburg sowie Professor Albert Zink und Frank Maixner von EURAC Research in Bozen der Herausforderung an. Sie analysierten nicht nur Gewebeproben des Mannes aus dem Eis, sondern auch die einer Mumie eines im Ersten Weltkrieg gefallenen Soldaten.

„Unsere Untersuchung liefert den Beweis, dass wir microRNA sogar noch nach mehreren tausend Jahren analysieren können“, erklärt Andreas Keller, Professor für Klinische Bioinformatik an der Universität des Saarlandes, der die die Studie koordinierte. Dabei untersuchten die Wissenschaftler Proben aus der Haut, dem Magen und dem Mageninhalt des Ötzi. „Es war eine Herausforderung, dieses genetische Material in nennenswerten Mengen und ausreichender Qualität aus den mumifizierten Gewebeproben zu extrahieren und es mit neusten, sehr exakten Methoden zu messen und zu quantifizieren”, berichtet Stephanie Kreis, die an der Universität Luxemburg die microRNAs isoliert hat. So habe man einige Moleküle gefunden, die vorwiegend in diesem alten Gewebe vorhanden sind. Umgekehrt konnten einige der Biomarker, bekannt aus der heutigen Zeit, bei Ötzi nicht nachgewiesen werden.

Laut Professor Zink von EURAC Research sind die microRNAs die nächste wichtige Molekülklasse, die bei Ötzi umfassend untersucht wurde. Professor Meese, Leiter des Instituts für Humangenetik an der Universität des Saarlandes, betont, dass die Stabilität dieser Biomarker auch für die heutigen Menschen wichtig sei. „Sie ist entscheidend für die Anwendung in der Klinik“, erklärt Meese. „Es ist offensichtlich, dass das Potenzial von microRNA viel größer ist, als wir bisher gedacht haben. Wir wissen noch nicht genug darüber, wie diese Moleküle spezifische Gene, ganze Genfamilien oder auch biochemische Reaktionswege beeinflussen. Wenn wir das noch mehr erforschen, können microRNAs eventuell zu neuen Stars in der Therapie werden. Bis dahin ist jedoch noch sehr viel zu tun“, lautet das Fazit von Professor Keller.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Glasforschung: Neue Technologie zum Umformen von GOBs zu Glaswafern

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Presseinformation der TH Deggendorf vom 16.02.2017

TAZ Spiegelau und Ullrich GmbH präsentieren Forschungserfolge

Im Rahmen des Abschlusstreffens zum Forschungsprojekt „Glaswafer aus Gobs“, kurz „GlaGOB“, trafen sich kürzlich Vertreter der Ullrich GmbH aus Zwiesel, Zwiesel Kristallglas und der Technischen Hochschule Deggendorf (THD) am TechnologieAnwenderZentrum (TAZ) in Spiegelau. Ziel des Projekts war es eine neue Technologie zum Umformen von sog. GOBs zu Glaswafern zu entwickeln.

Unter einem GOB versteht man Halbzeuge bzw. Präzisionshalbzeuge aus Glas. Aus der Schmelze werden dazu „Glastropfen“ im heißen Zustand mit einem gewünschten Volumen abgetrennt und definiert geformt. Unter Glaswafern versteht man dünne, runde Scheiben, die zunehmend Anwendung in der Elektronikindustrie, z.B. als Trägermaterial für widerstandsfähige Sensoren, und in der Biotechnologie als Substratträger finden. Bisher führt die aufwändige Herstellungstechnologie der am Markt verfügbaren Glaswafer zu hohen Beschaffungskosten, was deren Verbreitung entgegensteht. Ebenso sind Glaswafer aktuell nur aus einer sehr begrenzten Anzahl von Glassorten wie Quarzglas oder Borosilikatglas erhältlich.

Am TAZ Spiegelau erkannte man gemeinsam mit der Ullrich GmbH diese Marktlücke und beantragte eine Förderung bei der Bayerischen Forschungsstiftung. Das Projekt hatte eine Laufzeit von einem Jahr. Mit der entwickelten Technologie wurden auf einer Präzisionsblankpresse GOBs aus Tritan®-Glas von einer Ausgangsdicke von 15 mm in einem isothermen Pressprozess in einem einzigen Schritt zu einem 4“-Wafer mit einer Dicke von 1 mm gepresst. Dieser Prozess ist eine Warmumformung von Glas und wird bei Temperaturen von ca. 800 °C durchgeführt. Werkzeug und Glas werden dabei zusammen erhitzt und durch eine genau kontrollierte Presskraft plastisch verformt. Die so hergestellten Glaswafer wurden messtechnisch auf ihre Qualität und Güte untersucht und mit marktüblichen Glaswafern verglichen. Die für die Waferherstellung prozessoptimierte Technologie des Präzisionsblankpressens birgt ein erhebliches Potenzial in sich. Zum einen entfallen gegenüber bisherigen Verfahren mehrere aufwändige mechanische Herstellungsschritte. Zum anderen eröffnet sich dadurch der Weg für die bedarfsgerechte Herstellung von Glaswafern aus kundenspezifischen Glassorten.

Die Forschung und Prozessentwicklung wurden in eine studentische Arbeit integriert. Maximilian Hasenberger, Master-Student an der THD im Fach „Applied Research“ hat mit seinem motivierten Einsatz und kreativen Herangehensweise einen großen Teil der Ergebnisse des Projekts beigetragen.

Mit diesen vielversprechenden Ergebnissen im Gepäck werden nach dem erfolgreichen Projektabschluss bei der Ullrich GmbH nun die nächsten Schritte für eine mögliche neue Anwendung vorbereitet. (CM)

Externer Link: www.th-deg.de

Metallorganische Gerüste fungieren als Webstühle

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 15.02.2017

Forscher des KIT fertigen zweidimensionale Textilien aus monomolekularen Polymerfäden – Veröffentlichung in Nature Communications

Ein wichtiger Fortschritt in der Herstellung zweidimensionaler polymerbasierter Materialien ist Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelungen: Um Tücher aus monomolekularen Fäden zu fertigen, nutzten die Wissenschaftler die am KIT entwickelten SURMOFs – auf Oberflächen verankerte metallorganische Gerüste. Sie fügten vierarmige Monomere, also kleinere Molekülbausteine, in einzelne SURMOF-Schichten ein. Durch Verknüpfung der Monomere entstanden zu flachen Textilien verwobene Polymerfäden. Die Forscher stellen ihre molekularen Gewebe in der Zeitschrift Nature Communications vor. (DOI: 10.1038/ncomms14442)

Das selbstorganisierte Verknüpfen von Polymerfäden, das heißt extrem langen Molekülen, zu zweidimensionalen Geweben ist eine der großen Herausforderungen der Polymerchemie. Mithilfe eines Bottom-up-Prozesses, der kleinere Moleküle, sogenannte Monomere, in geeigneter Weise verknüpft, sind am KIT Wissenschaftler des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) sowie des Instituts für Nanotechnologie (INT) diesem Ziel nun einen wesentlichen Schritt näher gekommen: Sie fertigten Gewebe aus monomolekularen Polymerfäden, wobei ihnen SURMOFs – auf Oberflächen verankerte metallorganische Gerüste – sozusagen als Webstühle dienten. In der Zeitschrift Nature Communications stellen sie ihren Ansatz vor.

Die am IFG des KIT entwickelten SURMOFs (Surface Mounted Metal-Organic Frameworks) sind Gerüste aus metallischen Knotenpunkten und organischen Verbindungselementen, die Schicht für Schicht auf einem Substrat aufgebaut werden. Sie haben eine kristalline Struktur und lassen sich durch die Kombination verschiedener Materialien sowie die Variation der Porengröße für unterschiedliche Anwendungen maßschneidern. Um die SURMOFs zum Weben zweidimensionaler Textilien einzusetzen, bauten die Karlsruher Forscher in die einzelnen SURMOF-Schichten spezielle Verbindungselemente ein, nämlich vierarmige Monomere, die alle exakt auf eine spätere Verknüpfung ausgerichtet sind. Die Wissenschaftler fügten diese aktiven SURMOF-Schichten zwischen sogenannten Opferschichten ein. „So erreichten wir einen sandwichartigen Aufbau, der gewährleistet, dass die hergestellten Gewebe tatsächlich zweidimensional, das heißt nur eine Moleküllage dick sind“, berichtet Professor Christof Wöll, Leiter des IFG und zusammen mit Professor Marcel Mayor vom INT korrespondierender Autor der Publikation.

Die Forscher führten in den aktiven SURMOF-Schichten mithilfe eines Katalysators eine Reaktion zur Verknüpfung der Monomere zu Polymeren herbei. Anschließend wurden die metallischen Knotenpunkte einfach herausgelöst. Übrig blieben flache Gewebe aus monomolekularen Polymerfäden. „Die Polymerfäden werden untereinander ausschließlich von den durch das Webmuster bedingten mechanischen Kräften zusammengehalten“, erklärt Marcel Mayor. „Damit sind die molekularen Gewebe ebenso flexibel wie die auf herkömmliche Weise gefertigten Textilien.“ (or)

Publikation:
Zhengbang Wang, Alfred Błaszczyk, Olaf Fuhr, Stefan Heissler, Christof Wöll, Marcel Mayor: Molecular weaving via surface-templated epitaxy of crystalline coordinationnetworks.  Nature Communications, 2017. DOI: 10.1038/ncomms14442

Externer Link: www.kit.edu

Genschalter moduliert Angstgedächtnis

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 16.02.2017

Bei der Therapie von posttraumatischen Belastungsstörungen wird unter anderem versucht, erlernte Furchtreaktionen einzudämmen. Forscher der Universität Innsbruck und der Medizinischen Universität Innsbruck haben nun gemeinsam mit amerikanischen Kollegen einen Genregulator ausfindig gemacht, der eine entscheidende Rolle spielt, wenn die Furcht erfolgreich ausgelöscht wird.

Angst-, Trauma- und belastungsbezogene Störungen sind mit einer verminderten Fähigkeit verbunden, erlernte Furchtreaktionen einzudämmen. Dazu ist zum Beispiel „Furchtextinktion“ nötig, ein zentraler Lern-Mechanismus der Expositionstherapie. „Eine vielversprechende Möglichkeit zur Weiterentwicklung der Angsttherapie besteht darin, dieses neue Lernen zu fördern“, sagt Nicolas Singewald vom Institut für Pharmazie der Universität Innsbruck. So sollen die relativ hohen Rückfallquoten reduziert und die Angstsymptomatik langfristig abgeschwächt werden. „Eine neuartige Möglichkeit dazu bietet sich in einer verbesserten Regulation Lern-assoziierter Mechanismen“, erklärt Singewald.

Im Rahmen des Spezialforschungsbereichs zu chronischen Erkrankungen des zentralen Nervensystems (SFB-F44) ist es den Forschungsgruppen von Nicolas Singewald an der der Universität Innsbruck und von Alexander Hüttenhofer am Biozentrum der Medizinischen Universität Innsbruck in Zusammenarbeit mit einer amerikanischen Forschungsgruppe nun gelungen, eine sogenannte microRNA mit dem Namen miR-144 als wichtigen Genregulator ausfindig zu machen, der bei einer erfolgreichen Furchtextinktion eine entscheidende Rolle spielt. „MicroRNAs sind 21 bis 23 Nukleotid lange Ribonukleinsäuren, die als genetische Schalter in der Zelle wirken und somit die Expression von Genen steuern können“, erklärt Nicolas Singewald. Sein Doktorand Conor Murphy konnte in dieser Studie zeigen, dass die Überexpression von miR-144 in Mäusen, die ähnlich wie Angstpatienten eine eingeschränkte Fähigkeit zur Furchtextinktion aufweisen, dieses Defizit normalisiert und zudem einen Schutz vor dem Wiederauftreten von Angstzuständen bewirkt.

Die im angesehenen Fachmagazin Biological Psychiatry kürzlich veröffentlichten Untersuchungen zeigen, die fundamentale Rolle von miR-144 bei der Verminderung von Angszuständen im Mausmodel auf. Die gewonnenen Daten implizieren gleichzeitig die Möglichkeit, in der Zukunft diese miRNA als Zielmolekül in der Behandlung von Posttraumatischen Belastungsstörungen (PTBS) und ähnlichen Erkrankungen zu verwenden.

Der Spezialforschungsbereich „Chronische Erkrankungen des zentralen Nervensystems“ (SFB-F44) setzt sich aus neun Arbeitsgruppen zusammen, wobei zwei Gruppen Teil der Universität Innsbruck sind, fünf der Medizinischen Universität Innsbruck angehören und je eine Arbeitsgruppe in Salzburg und Deutschland beheimatet ist. Geleitet wird der Spezialforschungsbereich von Jörg Striessnig von der Abteilung für Pharmakologie und Toxikologie des Instituts für Pharmazie der Universität Innsbruck und seiner Stellvertreterin Nadia Stevanova von der Universitätsklinik für Neurologie an der Medizinischen Universität Innsbruck.

Publikation:
MicroRNA-Mediated Rescue of Fear Extinction Memory by miR-144-3p in Extinction-Impaired Mice. Murphy CP, Li X, Maurer V, Oberhauser M, Gstir R, Wearick-Silva LE, Viola TW, Schafferer S, Grassi-Oliveira R, Whittle N, Hüttenhofer A, Bredy TW, Singewald N. Biol Psychiatry. DOI: 10.1016/j.biopsych.2016.12.021

Externer Link: www.uibk.ac.at