12.03.2012 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 08.03.2012

Kooperation mathematisch auf die Spur kommen

Nach einer etwas naiven Lesart sollte die Darwinsche Evolutionstheorie kooperatives Verhalten nicht erwarten lassen. Schließlich ist soziales Verhalten für das Individuum mit erhöhten Kosten verbunden, während die Gesamtpopulation profitiert. Doch eine soziale Ader lässt sich selbst bei Mikroben finden. So kooperieren etwa manche Bakterien, indem sie Stoffe produzieren, die der gesamten Kolonie zugute kommen – während sich die Kooperatoren selbst langsamer vermehren als ihre „unsozialen“ Artgenossen. Der LMU-Physiker Professor Erwin Frey hat nun mit seinen Mitarbeitern Dr. Jonas Cremer und Dr. Anna Melbinger mithilfe mathematischer Modelle die zugrunde liegenden Mechanismen ergründet. „Kooperation kann durch die Tatsache erklärt werden, dass bakterielle Kolonien stark wachsen und sich immer wieder neu bilden,“ sagt Frey. „Wir haben nun erstmals gezeigt, dass ein einziges kooperatives Bakterium in einer ganzen Population Kooperation etablieren kann.“ Die Studie wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) durchgeführt. (Scientific Reports online, 21. Februar 2012)

Bestimmte Bakterien können einen Stoff produzieren, der die gesamte Kolonie gegen manche Antibiotika resistent macht. Während sich die Kolonie dann schnell vergrößern kann, vermehren sich die kooperierenden Mikroben langsamer. „Wenn sie aussterben, ist das für die Gesamtpopulation schlecht“, sagt Co-Autorin Anna Melbinger. „Der Nachteil eines Kooperators kann aber durch den evolutionären Vorteil der Kolonie kompensiert werden.“

Auf welchen Mechanismen dieses Gleichgewicht beruht, konnte bislang nicht im Detail geklärt werden. Freys Arbeitsgruppe konstruierte ein mathematisches Modell, um das Wachstum von Bakterien in mehreren Kolonien zu simulieren. Die Mikroben  bilden kleine Kolonien, die abhängig vom Anteil an Kooperatoren wachsen. Aus dieser Population können sich neue Kolonien bilden – und der Zyklus beginnt erneut.

Die Analyse des Models deckte nun zwei Mechanismen auf, die Kooperation ermöglichen. So können sich durch Zufall rein kooperative Kolonien bilden, in denen Kooperatoren ihre Vorteile ausspielen, ohne von nicht kooperierenden Bakterien „ausgenutzt“ zu werden. „Gibt es einen hinreichend großen Anteil an Kooperatoren in der Population, können alle nicht kooperierenden Bakterien sogar aussterben“, so Cremer.

Im zweiten Szenario dagegen vermehren sich Kolonien mit einem großen Anteil an Kooperatoren schneller als solche mit wenig „sozial gesinnten“ Individuen. Dieser Mechanismus kann sogar greifen, wenn anfänglich nur wenige Kooperatoren vorhanden sind. Dann aber kann sich möglicherweise eine einzelne, zufällig entstandene kooperative Mutante durchsetzen.

Insgesamt wurde deutlich, dass sich Kooperation stabil in Populationen halten kann, wenn sich Kolonien immer wieder neu bilden und wachsen können. „Wie wir jetzt erstmals mit Hilfe eines mathematischen Modells erklären können, erhalten einzelne Mikroben, die aufgrund zufälliger genetischer Veränderungen zu Kooperatoren geworden sind, auf diesem Weg die Chance, in der gesamten Population kooperatives Verhalten dauerhaft zu etablieren“, sagt Frey. (CR/suwe)

Publikation:
„Growth dynamics and the evolution of cooperation in microbial populations“
Jonas Cremer, Anna Melbinger & Erwin Frey,
Scientific Reports online, 2, 281 (21. Februar 2012).
doi: 10.1038/srep00281

Externer Link: www.uni-muenchen.de

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10.02.2012 von PaulWutz.

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 08.02.2012

Biopolymer-Film lässt sich kostengünstig und umweltverträglich mit Informationen beschreiben

Ein neuartiger Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich. Entstanden ist das organische System in fächer- und länderübergreifender Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am KIT und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan. Der DNA-Datenspeicher eignet sich unter anderem für biotechnische Anwendungen, etwa als Bauteil in Biosensoren.
 
Das System besteht aus einer dünnen Schicht der DNA eines Lachses, die mit Silbersalzen versetzt und zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Wird es mit UV-Licht stimuliert, bilden sich Silber-Nanopartikel, durch die Strom fließen kann. So entsteht ein Biopolymer-Film, auf den sich Daten schreiben lassen. Der Speicher lässt sich einmal beschreiben und mehrmals auslesen (WORM – Write-Once-Read-Many-Times). In der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ stellen die Forscher ihre Entwicklung vor.
 
„Dieser DNA-basierte Speicher ist kostengünstiger als herkömmliche Speicher, die aus anorganischen Materialien wie Silizium bestehen“, erklärt Dr. Ljiljana Fruk, die am CFN eine interdisziplinäre Forschungsgruppe für DNA-Nanotechnologie, Biofunktionalisierung und Design von lichtgesteuerten Nanobauteilen leitet. „Außerdem ist er recycelbar, und die Rohstoffe sind in der Natur reichlich vorhanden.“

Bei niedriger Spannung fließt nur geringer Strom durch den DNA-Silber-Biopolymer-Film. Diesen Zustand interpretieren die Forscher als logische Null. Ab einer bestimmten Grenzspannung aber bilden sich freie Ladungsträger, die einen höheren Stromfluss verursachen, was von den Wissenschaftlern als logische Eins interpretiert wird. Diese Leitfähigkeit lässt sich, wenn sie einmal erreicht ist, auch durch eine Änderung der Spannung nicht mehr rückgängig machen – einmal eingeschaltet, bleibt das System aktiv, egal welche Spannung anliegt. Auch nach 30 Tagen lässt sich die Leitfähigkeit noch nachweisen. Die Information bleibt also erhalten.
 
Die Herstellung des neuartigen DNA-Datenspeichers verbindet aktuelle Erkenntnisse aus der DNA-Nanotechnologie mit Erfahrungen aus der Fertigung herkömmlicher Polymer-Bauteile. Die Forscher erwarten Anwendungen ihres Systems als optische Speicher oder auch in sogenannten plasmonischen Bauteilen. Plasmonen sind nanometergroße elektronische Anregungen in Metallen. „Die Forschung zu DNA als Biopolymer steht allerdings noch ziemlich am Anfang“, erklärt Ljiljana Fruk. „In naher Zukunft werden sich daher noch weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.“ (or)
 
Publikation:
Yu-Chueh Hung, Wei-Ting Hsu, Ting-Yu Lin, and Ljiljana Fruk: Photoinduced write-once-read-many-times memory device based on DNA biopolymer nanocomposite. Applied Physics Letters, 2011. [DOI:10.1063/1.3671153]

Externer Link: www.kit.edu

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06.02.2012 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 31.01.2012

Neue Anwendungen für Graphen:

Hauchdünn, stabiler als Stahl und vielseitig einsetzbar: das Material Graphen hat zahlreiche interessante Eigenschaften. So ist es derzeit der Star unter den elektrischen Leitern. Photodetektoren auf Graphen-Basis können Lichtsignale oder auch elektrische Signale extrem schnell verarbeiten und weiterleiten. So führt die optische Anregung von Graphen in Pikosekunden (10-12 Sek) zur Entstehung eines Photostroms. Bisher fehlte eine entsprechend schnelle Methode, um Abläufe wie diese in Graphen nachweisen zu können. Professor Alexander Holleitner und Dr. Leonhard Prechtel am Walter Schottky Institut der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die zeitliche Dynamik des Photostroms messbar zu machen.

Graphen wirkt auf den ersten Blick eher schlicht: das Material besteht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, die in einem einschichtigen „Teppich“ angeordnet sind. Doch für Wissenschaftler ist unter anderem die extrem hohe Leitfähigkeit von Graphen besonders reizvoll. Diese Eigenschaft ist unter anderem hilfreich für die Entwicklung von Photodetektoren. Dabei handelt es sich um Bauteile, die Strahlung detektieren und in elektrische Signale umwandeln können.

Mit Hilfe des hoch leitfähigen Graphen arbeiten Wissenschaftler daran, ultraschnelle Photodetektoren zu konstruieren. Allerdings war es bisher nicht möglich, das optische und elektronische Verhalten von Graphen zeitaufgelöst zu bestimmen. Das heißt zu klären, wie lange es von der elektrischen Anregung des Graphen bis zur Generierung des entsprechenden Photostroms dauert.

Dieser Frage widmeten sich Alexander Holleitner und Leonhard Prechtel am Walter Schottky Institut der TU München, zugleich Mitglieder des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). Die Physiker entwickelten zunächst eine Methode, mit der sie den durch Bestrahlung mit kurzen Laserpulsen entstehenden Photostrom in Graphen-Photodetektoren bis in den Pikosekundenbereich hinein untersuchen können. Damit können sie nun Pulse von einer Länge von 10-12 Sekunden detektieren.

Kern der untersuchten Photodetektoren ist frei tragendes Graphen, das über metallische Kontakte elektronisch in Schaltkreise eingebunden ist. Die zeitliche Dynamik des Photostroms bestimmen die Physiker mit Hilfe von sogenannten koplanaren Streifenleitungen, die sie über ein spezielles zeitaufgelöstes Laser-Spektroskopie-Verfahren auswerten, die Pump-Probe Technik. Hierbei werden mit einem Laserpuls Elektronen im Graphen angeregt und die Dynamik dieses Prozesses mit einem zweiten Laser verfolgt. Auf diese Weise können die Physiker genau nachvollziehen, wie der Photostrom im Graphen erzeugt wird.

Die neue Methode ermöglichte den Wissenschaftlern zeitgleich noch eine weitere Beobachtung: Sie konnten belegen, dass Graphen nach optischer Anregung Strahlung im Terahertz (THz)-Bereich aussendet. Die Frequenz dieser Strahlung liegt zwischen dem Frequenzbereich von Infrarotlicht und Mikrowellenstrahlung. Als Besonderheit besitzt THz-Strahlung Eigenschaften beider angrenzender Bereiche: Sie lässt sich bündeln wie Licht, und durchdringt Materie ähnlich wie elektromagnetische Wellen. Dadurch eignet sie sich beispielsweise zur Materialprüfung, zum Durchleuchten von Paketen oder für medizinische Anwendungen.

Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich und des Center for NanoScience (CeNS). An der Publikation wirkten außerdem Physiker der Universität Regensburg, der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich, der Rice University und der Shinshu University mit.

Originalpublikation:
Time-resolved ultrafast photocurrents and terahertz generation in freely suspended graphene
Leonhard Prechtel, Li Song, Dieter Schuh, Pulickel Ajayan, Werner Wegscheider, Alexander W. Holleitner,
Nature Communications, 31. Januar 2012
DOI: 10.1038/ncomms1656

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18.01.2012 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 12.01.2012

Scherenbewegung ganz ohne ATP-Verbrauch:

Eine bestimmte Gruppe von Proteinen, die sogenannten Chaperone, helfen anderen Proteinen, sich in die richtige Form zu falten. Bisher nahm man an, dass die Chaperone für die dafür nötigen Konformationsänderungen Energie in Form des universellen, zellulären Energieträgers ATP benötigen. Ein Team von Biophysikern um Thorsten Hugel, Professor an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM), konnte nun zeigen, dass die Scherenbewegung des Chaperons Hsp90 kein ATP verbraucht sondern durch thermische Fluktuation angetrieben wird. Über ihre Ergebnisse berichtet das Fachjournal PNAS in seiner aktuellen Ausgabe.

ATP ist der Hauptenergieträger der meisten Organismen. Die Verbindung wird durch sogenannte ATPasen gespalten, um mit der dabei frei werdenden Energie beispielsweise Muskeln zu bewegen oder Nährstoffe zu transportieren. Das in großen Mengen in den Zellen vorkommende Chaperon-Protein Hsp90 besitzt in jeder seiner beiden Untereinheiten solch eine ATPase. Bisher gingen die Fachleute daher davon aus, dass die Bewegung und die Konformationsänderungen des HSP90 unmittelbar mit der Bindung oder Hydrolyse von ATP zusammenhängen.

Um diese Annahme näher zu untersuchen, haben der Biophysiker Thorsten Hugel und seine Mitarbeiter einen besonderen Versuchsaufbau entwickelt: Mit Hilfe von drei unterschiedlichen Lasern und einer äußerst empfindlichen Kamera konnten die Wissenschaftler die Bindung von ATP und die Konformationsänderungen des Hsp90-Proteins gleichzeitig beobachten. Entgegen ihrer Erwartung zeigten die Experimente, dass Bindung und Hydrolyse von ATP nicht direkt mit den umfassenden Konformationsänderungen des Chaperon-Proteins Hsp90 zusammenhängen. Hsp90 ist vielmehr ein sehr variables System, das durch thermische Fluktuationen angetrieben wird.

„Thermische Fluktuationen, das sind zufällige Änderungen der Struktur des Proteins – man kann sie sich als Zusammenstöße mit Wassermolekülen in der Umgebung vorstellen, die sich bei den Temperaturen in einem lebenden Organismus recht heftig bewegen,“ erklärt Thorsten Hugel. „Indem es diese Zusammenstöße nutzt, um zwischen den verschiedenen Konformationen hin und her zu schalten, spart das Hsp90 wertvolles ATP.“ Doch welche Aufgabe hat dann die ATPase im Hsp90-Chaperon? Die Wissenschaftler vermuten, dass Co-Chaperone oder auch Substratproteine das System so verändern, dass ATP-Bindung oder Hydrolyse eine wesentliche Aufgabe übernehmen.

Mit dem neu entwickelten Versuchsaufbau ist es jetzt möglich, das sehr komplexe System eingehender zu untersuchen und diese wichtige Frage zu lösen. Die Münchner Biophysiker eröffnen damit eine neue Sichtweise auf die Energieumwandlung in molekularen Maschinen.

Die Arbeiten wurden unterstützt durch Mittel der DFG (Hu997/9-1, SFB 863) und dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) sowie des NanoBio-Technologie Programms des Elitenetzwerks Bayern.

Originalpublikation:
Heat shock protein 90’s mechano-chemical cycle is dominated by thermal fluctuations
Christoph Ratzke, Felix Berkemeier and Thorsten Hugel.
PNAS, January 3, 2012 vol. 109, no. 1, 161–166) – Doi: 10.1073/pnas.1107930108

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11.01.2012 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 09.01.2012 

Neues Verfahren erleichtert Analyse von Nukleinsäuren

Wie bei Proteinen beeinflusst auch bei Nukleinsäuren - also den Erbmolekülen DNA und RNA - die dreidimensionale Struktur deren Eigenschaften. Die Verwendung von Nanoporen zur Strukturbestimmung ist eine noch junge, aber vielversprechende Technik. Allerdings verhinderten Interaktionen zwischen Protein-Pore und Molekül bisher, das Verhalten selbst einfach strukturierter Moleküle während der Passage durch die Pore - der sogenannten Translokation - quantitativ zu verstehen. Dies ist aber notwendig, um die Technik langfristig für die Strukturbestimmung einsetzen zu können. Einem Forscherteam um LMU-Physiker Professor Ulrich Gerland und Professor Friedrich Simmel, TU München, gelang es nun im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM), ein neues Verfahren zu entwickeln, das die Nukleinsäuren im Rückwärtsgang analysiert und so störende Einflüsse minimiert. Dies erlaubte den Wissenschaftlern, ein theoretisches Modell zu erstellen, das die Translokationsdynamik verschiedener Molekülsequenzen vorhersagen kann.

Die Nukleinsäuren RNA und DNA sind sogenannte Polynukleotide, die aus einer kettenförmigen Abfolge bestimmter Bausteine bestehen. Sofern sie als Einzelstrang vorliegen, können sie zudem sogenannte Sekundärstrukturen ausbilden: Bestimmte Abschnitte des Strangs gehen dann eine Verbindung ein, während das dazwischen liegende Stück eine Schleife bildet. Ist die Schleife kurz, wird die Sekundärstruktur als Haarnadelstruktur bezeichnet. Wie bei Proteinen beeinflusst die Sekundärstruktur auch bei Nukleinsäuren die Moleküleigenschaften, ihre Aufklärung ist daher von großem Interesse. „Um die Sekundärstruktur von RNA und DNA zu untersuchen, werden zunehmend Nanoporen eingesetzt: Man nutzt dabei aus, dass die Moleküle sich bei der Passage durch die engen Poren entfalten müssen und gewinnt Einblick in die Moleküleigenschaften, ohne dass man fluoreszierende Markierungen anbringen muss“, erklärt Gerland, „diese Technik ist noch recht jung und ihre Möglichkeiten sind bei Weitem noch nicht ausgeschöpft“. Nun gelang es den Wissenschaftlern, ein neues experimentelles Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, die Passage einfach strukturierter Polynukleotide durch Nanoporen quantitativ zu verstehen und in einem theoretischen Modell darzustellen. Bisher war dies nicht möglich, weil Komplikationen wie etwa Interaktionen zwischen der Protein-Nanopore und dem Polynukleotid die Messungen signifikant beeinflussten und schwer vorherzusagen waren. Diese Komplikationen konnten nun durch ein verändertes experimentelles Design minimiert werden. Der entscheidende Trick dabei ist, die Analyse im Rückwärtsgang – das heißt gegenläufig zur Einfädelrichtung - zu machen: Das Polynukleotid wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zunächst durch die trichterartige Öffnung auf der einen Seite der Pore gefädelt, wobei es sich entfaltet und nach der Passage - der sogenannten Translokation - seine Sekundärstruktur wieder einnimmt. Ein „Anker“ am Ende des Strangs verhindert das vollständige Durchrutschen durch die Pore. Anschließend wird der Strang wieder auf die Startseite zurückgeholt, wobei er sich nun an der engen Seite der Pore entfalten muss - und erst jetzt erfolgt die Analyse. „Im Gegensatz zur Vorwärts-Translokation scheinen dabei keine signifikanten Interaktionen stattzufinden“, sagt Simmel. Mithilfe der Ergebnisse entwickelten die Wissenschaftler ein theoretisches Modell, das die Translokationsdynamik verschiedener Haarnadelstrukturen mithilfe thermodynamisch berechneter sogenannter „freier Energielandschaften“ vorhersagen kann. „Dies kann eine Grundlage sein für die zukünftige Strukturaufklärung auch von komplizierteren Polynukleotid-Sekundärstrukturen“, blickt Gerland in die Zukunft. (göd)

Publikation:
„Quantitative Analysis of the Nanopore Translocation Dynamics of Simple Structured Polynucleotides”;
S. Schink, S. Renner, K. Alim, V. Arnaut, F.C. Simmel, U. Gerland;
Biophysical Journal Volume 102 January 2012 1–11;
doi: 10.1016/j.bpj.2011.11.4011

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