Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.10.2013

Biomimetische Membranen auf Graphen ermöglichen neue Anwendungen in der Biotechnologie – Publikation in „Nature Communications“

Ein neues Verfahren, um künstliche Membranen herzustellen, haben Forscher um Dr. Michael Hirtz vom KIT entwickelt: Mit einer nanometerfeinen Spitze schreiben sie maßgeschneiderte Phospholipid-Membranstücke auf ein Substrat aus Graphen. Die so gefertigten biomimetischen, also biologische Strukturen nachahmenden, Membranen ermöglichen, Funktionen von Zellmembranen gezielt zu untersuchen und neue Anwendungen in Medizin und Biotechnologie zu entwickeln, beispielsweise Biosensoren. In der Online-Publikation „Nature Communications“ stellen die Forscher das Verfahren vor.

Lipide (von gr. lipos, „Fett“) sind zentrale Strukturbausteine von Zellmembranen. Der Körper des Menschen enthält rund 100 Billionen Zellen. Jede von ihnen ist von einer Membran umhüllt, die im Wesentlichen aus einer Doppellage von teils wasserliebenden, teils wasserabstoßenden phosphorhaltigen Lipiden besteht. Diese Zellmembranen beinhalten zahlreiche Proteine, Ionenkanäle und andere Biomoleküle, die jeweils lebenswichtige Aufgaben erfüllen. Daher ist die Erforschung der Zellmembranen essenziell für viele Bereiche der Medizin und der Biotechnologie. Ein besseres Verständnis ihrer Funktionen ermöglicht neue Anwendungen beispielsweise in Sensoren mit biologischen Komponenten, beim Einsatz von Enzymen als Katalysatoren oder zum gezielten Einbringen von Arzneimittelwirkstoffen. Allerdings ist es äußerst schwierig, die Membranen direkt an Zellen im menschlichen Körper zu untersuchen.

Forscher verwenden daher häufig Modellmembranen, die auf spezielle Oberflächen aufgebracht werden. Diese biomimetischen, das heißt biologische Strukturen nachahmenden Systeme ermöglichen einen einfachen und besser kontrollierbaren Zugriff. Eine internationale Gruppe von Forschern um Dr. Michael Hirtz, Projektleiter in der Abteilung von Professor Harald Fuchs am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT, sowie Dr. Aravind Vijayaraghavan von der Universität Manchester, Großbritannien, stellen nun ein neues Verfahren zur Herstellung von biomimetischen Membranen vor: Sie schreiben maßgeschneiderte Phospholipid-Membranstücke mithilfe der bereits früher am KIT entwickelten Lipid Dip-Pen Nanolithography (L-DPN) auf ein Substrat aus Graphen.

„Die L-DPN Technik benutzt eine feine Spitze, um Lipidmembranen auf Oberflächen zu schreiben – ähnlich einem Federkiel, der Tinte auf Papier bringt“, erklärt Dr. Michael Hirtz vom INT des KIT. Allerdings misst die Spitze nur wenige Nanometer und wird mit hoher Präzision maschinell kontrolliert. Dies erlaubt es, winzig kleine Strukturen zu erzeugen – kleiner als Zellen und hinunter bis auf die Nanoskala (ein Nanometer entspricht 10^-9 Metern). Durch den Einsatz von parallel angeordneten Spitzen lassen sich verschiedene Lipid-Mischungen gleichzeitig schreiben, was Strukturen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung in einer Größe ermöglicht, die geringer als die einer einzelnen Zelle ist.

Das als Substrat eingesetzte Graphen ist ein Halbmetall mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften. Wie Dr. Aravin Vijayaraghavan von der Universität Manchester erklärt, verteilen sich die aufgebrachten Lipide auf dem Graphen ganz gleichmäßig, wodurch sich ausgezeichnete Membranen ergeben. Weitere Vorteile von Graphen sind seine einstellbare Leitfähigkeit und seine Eigenschaft, die Fluoreszenz markierter Phospholipide zu unterdrücken. Wenn die Lipide entsprechende Bindungsstellen aufweisen, beispielsweise Biotin, binden die Membranen Streptavidin, ein von bestimmten Bakterien produziertes Protein, das in verschiedenen biotechnologischen Verfahren eingesetzt wird. Sind die Lipide elektrisch geladen, findet ein Ladungstransfer von den Lipiden zum Graphen statt. Dadurch ändert sich dessen Leitfähigkeit. Diese Änderung der Leitfähigkeit lässt sich in Biosensoren als Signal der Detektion nutzen.

Die Forscher um Hirtz werden ihre biomimetischen Membranen künftig dazu nutzen, auf Graphen und Lipiden basierte neuartige Biosensoren zu bauen. Geplant sind Sensoren, die über die Änderung der Leitfähigkeit auf die Anbindung von Proteinen reagieren, sowie Sensoren, welche die Funktion von Ionenkanälen in den Membranen detektieren. Bei Ionenkanälen handelt es sich um porenbildende Proteine, die elektrisch geladenen Teilchen das Durchqueren der Membran ermöglichen. „Proteinsensoren könnten in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Die Funktion von Ionenkanälen zu überwachen, ist wichtig für die Arzneimittelforschung“, berichtet der KIT-Wissenschaftler. (or)

Publikation:
M. Hirtz, A. Oikonomou, T. Georgiou, H. Fuchs & A. Vijayaraghavan: Multiplexed biomimetic lipid membranes on graphene by dip-pen nanolithography. Nature Communications, 10. Oct 2013 | DOI: 10.1038/ncomms3591.

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 27.08.2013

Der weltweite Datenverkehr wächst rasant. Die Uni Kassel beteiligt sich an einem EU-Projektverbund, der die Kapazität vorhandener Glasfaserkabel verhundertfachen soll. Der Trick: Das Lichtsignal wird mit Zusatzinformationen aufgeladen.

Die Zahlen sind schwindelerregend: 2017, so sagte der Netzwerkausrüster Cisco im vergangenen Mai voraus, werden die Computernetze der Welt einen Datenverkehr von 1,4 Zettabyte transportieren – das sind 1.400.000.000.000.000.000.000 Byte. Ein Grund: Die Datenautobahnen werden verstärkt Internet-Fernsehen und Internet-Telefonie übertragen. „Um die Kommunikation der Zukunft zu bewältigen, müssen wir die Kapazität der Datenübertragung vervielfachen“, erklärt Prof. Dr. Johann Peter Reithmaier, Leiter des Fachgebiets Technische Physik an der Universität Kassel und einer der beiden Direktoren des Instituts für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA). Gemeinsam mit Prof. Dr. Bernd Witzigmann, Leiter des Fachgebiets Theorie der Elektrotechnik und Photonik, beteiligt er sich an einem EU-weiten, millionenschweren Projektverbund, in dem ein Verfahren entwickelt wird, um die Leistung vorhandener Glasfaserkabel um den Faktor 100 zu steigern. Reithmaier: „Wir müssen in einen Bereich vorstoßen, in dem wir pro Sekunde ein Petabit an Informationen übertragen können. Das gilt insbesondere für die Kabel unter den Ozeanen, denn hier wäre es extrem teuer, zusätzliche Leitungen zu verlegen.“ Ein Petabit, das sind 1 Billiarde Bit oder 125 Billionen Byte.

Rund 60 Gruppen – Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und Unternehmen – beteiligen sich europaweit an diesem Unterfangen. Die EU koordiniert den Projektverbund „SASER“, der sich in einzelne Cluster, Projekte und Teilprojekte gliedert, die jeweils von den nationalen Ministerien finanziell gefördert werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt deutsche Teilprojekte mit insgesamt rund 36,5 Millionen Euro. Das Kasseler Teilprojekt mit dem Titel „Monolop“ erhält rund 1,2 Millionen Euro. Es läuft von Herbst 2012 bis Herbst 2015. Reithmaier und Witzigmann arbeiten dabei zusammen mit der Berliner Firma u2t und dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut in Berlin.

Die Zielrichtung von SASER lautet: Dem übertragenen Lichtsignal mehr Informationen mitzugeben als bislang. Bis dato wird das Lichtsignal in der Glasfaser nur durch eine Intensitätsmodulation genutzt. Vereinfacht dargestellt: Ist es stark (oder „an“), dann wird eine 1 übermittelt, ist es schwach („aus“), eine 0. Pro Wellenlänge lassen sich so bis zu 100 Gigabit pro Sekunde übermitteln, zudem ist es inzwischen möglich, bis zu 1000 Wellenlängen parallel zu übertragen, also bis zu 10 Terabit – unvorstellbar viel, aber nicht genug, wenn man sich klarmacht, dass mancher einzelne Rechner inzwischen bis zu 10 Gigabit pro Sekunde abschicken oder empfangen kann. Das Licht kann aber mehr als an- und ausgehen, und das machen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für die sogenannte „Kohärente Kommunikation“ zunutze.

So lässt sich innerhalb einer Wellenlänge die Phase verschieben, also ein bestimmter Abstand zwischen den Spitzen einer Welle einschieben. Wenn der Empfänger in der Lage ist, den Abstand auszulesen, lässt sich die Länge der Phasenverschiebung als weitere Information nutzen. Die Physiker sprechen hier von einem zusätzlichen „Freiheitsgrad“ des Lichts, der verschiedene „Zustände“ haben kann. Es gibt noch mehr Möglichkeiten: Die Amplitude, die Höhe des Wellenausschlages, lässt sich ebenfalls aufmodulieren. In modernen Mobilfunknetzen (UMTS, LTE) werden Phase und Amplitude bereits moduliert, für die Optik ist dieser Kunstgriff neu. Auch die Polarisation des Lichts, also die Schwingungsrichtung der Lichtwelle, lässt sich als zusätzliche Eigenschaft mit verschiedenen Zuständen mitgeben.

Aufgabe der Kasseler Professoren und ihrer Arbeitsgruppen ist es nun, diese Zusatzinformationen auslesbar zu machen. Während Prof. Witzigmann die zugrunde liegenden Phänomene theoretisch erklärbar macht, entwickelt das Team um Reithmaier einen winzigen integrierten Halbleiter-Laserchip, der als Referenzoszillator dient. Sein Licht wird mit dem übertragenen Signal abgeglichen; stimmen die Eigenschaften überein, registriert der Empfänger einen bestimmten Wert. Aus diesen Werten setzt sich die übertragene Information zusammen. Die Herausforderung ist, einen stecknadelkopfgroßen Laserchip so exakt herzustellen, dass er ein stabiles Lichtsignal abgibt. Die Arbeitsgruppe um Reithmaier trägt dafür winzige, nur wenige Nanometer große Kristalle („Quantenpunkte“) aus Indiumarsenid auf ein Indiumphosphid-Trägermaterial. Jeder Quantenpunkt kann ein einzelnes Elektron auffangen und ein einzelnes Lichtteilchen aussenden. „Je gleichmäßiger die Quantenpunkte aufgetragen sind, desto höher ist die Qualität des Lichts“, betont Reithmaier. „Hierin sind wir weltweit führend.“ Zudem ist der Laser abstimmbar, d.h. sein Licht kann in Sachen Phasenverschiebung und Polarisation verschiedene Zustände annehmen und so mit dem Übertragungssignal abgeglichen werden.

Die Gruppe um Prof. Reithmaier hat in den Reinräumen des INA bereits die ersten Probe-Chips produziert, die nun getestet werden. Reithmaier: „Die ersten Ergebnisse sind ermutigend.“

Externer Link: www.uni-kassel.de

Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 02.08.2013

Wissenschaftler der Universität Tübingen setzen Goldspitze als „optische Antenne“ ein, um Nanostrukturen zu untersuchen

Wissenschaftler der Universität Tübingen haben eine neue Anwendung für die Nahfeldmikroskopie entwickelt. Die Forschungsgruppe von Professor Alfred Meixner aus dem Institut für Physikalische und Theoretische Chemie hat die Fluoreszenz einer scharfen Goldspitze eingesetzt, um die Nahfelder von Nanostrukturen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit einer Forschergruppe der Universität Stuttgart (Professor Harald Giessen) erreicht und werden in der August-Ausgabe des wissenschaftlichen Journals „Nano Letters“ veröffentlicht. (DOI: 10.1021/nl401173g)

Optische Nahfelder sind oberflächennahe Felder um Objekte im Nanobereich. Sie konnten bisher nur schwer vermessen werden, da sie nur eine geringe Abstrahlung aufweisen: Ihre elektromagnetische Feldstärke fällt innerhalb weniger Nanometer ab und reicht nur in einen Bereich, der kleiner ist als 600 Nanometer ‒ ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter. In solchen Nahfeldern können sowohl Kopplungen als auch Energieübertragungen zwischen Nanoobjekten stattfinden. Kennt man die Form und Größe dieser Nahfelder, können solche Prozesse, also die Wechselwirkung zwischen Strukturen, besser verstanden werden.

Die Visualisierung der optischen Nahfelder von Nanoobjekten ist in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt. Es wurden anspruchsvolle Methoden entwickelt, um die Form und Lokalisierung der Nahfelder nachzuweisen, wie beispielsweise die „nahfeldinduzierte Polymerisation“ oder Techniken, die scharfe Spitzen als Sonden einsetzen, um die Auflösung zu verbessern. Einige dieser spitzenbasierten Methoden verwenden punktförmige Objekte, die Strahlung abgeben, wie einzelne Moleküle, während andere die Streuung einzelner Goldnanokugeln als Nahfeldsonde verwenden. Zwar ist die Streuung einer einzelnen Goldkugel sehr stabil, aber dafür beeinflusst diese stark das untersuchte Nahfeld.

Die Tübinger Wissenschaftler haben nun einen neuen Ansatz für die Untersuchung von Nahfeldern plasmonischer Nanoobjekte entwickelt, beispielsweise in Metallen wie Aluminium. Dabei setzen sie die sehr stabile Fluoreszenz einer scharfen Goldspitze mit einem Spitzenradius unter zehn Nanometern ein. Diese wirkt wie eine optische „Breitbandantenne“: Das Nahfeld wird in einer sechseckigen Aluminium-Nanostruktur mit Laserlicht passender Symmetrie angeregt, das entweder azimutal (ringförmig) und radial (von der Mitte ausgehend) polarisiert ist. Dies führt zu einer Energieübertragung von der Struktur zur Spitze, die dadurch zur Fluoreszenz angeregt wird. Dieses „Signal“ ist direkt von der Stärke des Nahfelds abhängig, die Wissenschaftler können so mit einer neuen und vereinfachten Technik Nahfelder von Nanostrukturen vermessen und abbilden.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Medienmitteilung der Universität Basel vom 16.07.2013

Forschende der Universität Basel haben künstliche Organellen hergestellt, die den Abbau von giftigen Sauerstoffverbindungen unterstützen können. Dies eröffnet Wege zur Entwicklung neuartiger Medikamente, welche direkt in der Zelle auf pathologische Zustände einwirken. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Nano Letters» veröffentlicht.

Freie Sauerstoffradikale entstehen entweder im Körper als Nebenprodukt des Stoffwechsels, aber auch durch Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung und Abgase. Ist ihre Konzentration im Organismus so erhöht, dass der natürliche Schutzmechanismus mit der Entgiftung überfordert ist, entsteht oxidativer Stress, der mit der Entstehung von verschiedenen Krankheiten wie Krebs oder Arthritis in Verbindung gebracht wird.

Normalerweise werden die aggressiven Moleküle durch körpereigene Antioxidantien in Schach gehalten. Dabei spielen sich in der Zelle befindliche Organellen, sogenannte Peroxisome, eine wichtige Rolle, da sie helfen, die Konzentration der freien Sauerstoffradikalen zu regulieren.

Nanokapseln verwandeln Radikale in Wasser und Sauerstoff

Der Forschungsgruppe um Prof. Cornelia Palivan vom Departement Chemie der Universität Basel ist nun die Herstellung von künstlichen Peroxisomen gelungen, die das natürliche Organell imitieren. Die Forschenden entwickelten ein auf polymeren Nanokapseln basierendes Zellorganell, in das zwei verschiedene Arten von Enzymen eingeschlossen sind, welche freie Sauerstoffradikale zu Wasser und Sauerstoff umwandeln können.

Um die Funktionsweise in der Zelle zu überprüfen, wurde die Membran der künstlichen Peroxisome, die für den Austausch von Substraten und Produkten genutzt wird, mit Membranproteinen versehen. Die Resultate zeigen, dass die künstlichen Peroxisome von der Zelle aufgenommen werden und dort sehr effizient die natürlichen Peroxisome im Entgiftungsprozess unterstützen.

Neuartige Medikamente

Diese Art von Wirkprinzip stellt einen wichtigen Schritt für die Entwicklung neuartiger Medikamente dar, da sie direkt auf zellulärer Ebene in die Störung des Systems eingreift und somit im Sinne der personalisierten Medizin eine am Patienten orientierte Behandlung ermöglichen könnte.

Originalbeitrag:
Pascal Tanner, Vimalkumar Balasubramanian, and Cornelia G. Palivan
Aiding Nature’s Organelles: Artificial Peroxisomes Play Their Role
Nano Lett., 2013, 13 (6), pp 2875–2883 | doi: 10.1021/nl401215n

Externer Link: www.unibas.ch

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 17.06.2013

Moderne Kommunikationstechnologie basiert darauf, dass Lichtimpulse durch Glasfaserkabel übertragen werden. An die Stelle von Lichtimpulsen, die aus „Bündeln“ von Lichtteilchen bestehen, sollen in Zukunft einzelne Lichtteilchen als Informationsträger treten – was unter anderem eine vollständig abhörsichere Datenübertragung in der Quantenkommunikation ermöglicht. Derzeit arbeiten Forscher an alltagstauglichen Lichtquellen, die einzelne Photonen emittieren. Physiker um Professor Christoph Becher von der Saar-Uni nutzen hierfür Nanodiamanten und haarfeine Glasfasern. In einer neuen Studie, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, stellen sie den Aufbau dieser Lichtquelle vor.

Winzig klein sind die Diamanten, die die Saarbrücker Forscher für ihre Experimente verwenden: weniger als 100 Nanometer groß – das entspricht etwa einem Tausendstel eines Haardurchmessers. Und dabei haben es die Physiker nicht auf die lupenreinen, sondern auf die verunreinigten Edelsteine abgesehen. „Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Einschluss, genauer gesagt, einen Defekt aufweisen“, erklärt Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. „Dieser besteht aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten. Er wird auch Farbzentrum genannt.“ Bestrahlt man die Nanodiamanten nun mit einem Laser, beginnen die Farbzentren Licht auszusenden – ebenso wie es Atome tun. „Dieses Licht verhält sich so, als ob es von einem einzelnen Atom stammen würde und besteht aus der gewünschten Abfolge einzelner Lichtteilchen“, sagt Becher weiter.

Die Saarbrücker Physiker haben diese in Forscherkreisen bekannte Lichtquelle nun weiterentwickelt. Hierfür haben sie einen Nanodiamanten zwischen zwei Spiegeln platziert. Die beiden sich gegenüber liegenden Spiegel bilden einen Lichtspeicher, in dem das Licht über 1.000 Mal hin- und herreflektiert wird, bevor es durch einen der Spiegel entweichen kann. „Die intensive Wechselwirkung des gespeicherten Lichts mit dem Farbzentrum im Nanodiamanten führt dazu, dass einzelne Lichtteilchen mit genau definierten Eigenschaften und mit hoher Effizienz ausgesandt werden. In gewissen Grenzen kann man sich dabei auch die Farbe des Lichtes aussuchen“, berichtet der Physik-Professor. Je kleiner die Spiegel sind, und umso geringer ihr Abstand, desto intensiver ist die Wechselwirkung im Lichtspeicher und desto besser lassen sich die Eigenschaften der einzelnen Lichtteilchen kontrollieren.

Das Besondere beim Versuchsaufbau der Saarbrücker Physiker ist die Anordnung der Spiegel: Einer der Spiegel sitzt direkt auf der Spitze einer haardünnen Glasfaser. „Die einzelnen Lichtteilchen werden auf diese Weise direkt in eine Faser ausgesandt – also dorthin, wo man sie für die Datenübertragung gerne haben möchte“, erklärt Roland Albrecht, Doktorand bei Professor Becher. „Zudem liegt der Vorteil unseres Aufbaus darin, dass er bei Raumtemperatur und ohne großen Apparateaufwand funktioniert. Er bietet somit Potential, ihn praktisch einzusetzen.“

Im nächsten Schritt möchten die Saarbrücker Forscher die Spiegel weiter verkleinern, sodass möglichst alle ausgesandten Lichtteilchen in der Glasfaser gesammelt werden können. Ferner versuchen sie den Nanodiamanten und die Glasfaser-Lichtspeicher auf Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt abzukühlen. „Dann verändern sich die Eigenschaften des Systems so, dass Quanteninformation zwischen dem Farbzentrum im Diamanten und den einzelnen Lichtteilchen ausgetauscht werden kann – die Schnittstelle für einen zukünftigen Quantencomputer oder die Übertragung von Quanteninformation über lange Strecken“, erklärt Becher.

Die Arbeit der Saarbrücker Wissenschaftler ist unter anderem im Rahmen des Verbundprojekts QuOReP (Quanten-Repeater-Plattform mit Methoden der Quantenoptik), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, entstanden. Die winzigen Spiegel für den Versuchsaufbau wurden in Zusammenarbeit mit Professor Jakob Reichel an der École normale supérieure in Paris hergestellt.

Die Studie „Coupling of a single NV-center in diamond to a fiber-based microcavity“ wurde in Physical Review Letters veröffentlicht. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.243602

Externer Link: www.uni-saarland.de