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Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:
Europeana Space: Creative with Digital Heritage
Fred Truyen (KU Leuven) et al.
Start: 10.10.2017 / Arbeitsaufwand: 16-32 Stunden
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Performance:
Der TecDAX der Deutschen Börse AG legte im September 2017 um circa 6% zu.
Trend:
Auf Monatsbasis bedeutet der September 2017 das dritte Plus in Folge.
Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.09.2017
Forscher des KIT, der Universität Heidelberg und der Freien Universität Berlin analysieren Struktur und Dynamik von Riboschaltern in lichtoptischen Einzelmolekülexperimenten
Viele Bakterien besitzen molekulare Kontrollelemente, über die sie Gene an- und abschalten können. Diese Riboschalter eröffnen neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Antibiotika oder auch zum Aufspüren und Abbauen von Umweltgiften. Wie die Riboschalter funktionieren, haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Heidelberg und der Freien Universität Berlin nun anhand von lichtoptischer Mikroskopie an Einzelmolekülen grundlegend untersucht. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Nature Chemical Biology. (DOI: 10.1038/nchembio.2476)
Riboschalter (Riboswitches) liegen auf der Boten-Ribonukleinsäure (mRNA), die genetische Information zum Ort der Proteinbiosynthese transportiert. Ein Riboschalter besteht aus einem Sensor, der die Konzentration eines kleinen Stoffwechselmoleküls misst, und einem Effektor, der die Genexpression und damit die Synthese eines Proteins steuert. Weil Riboschalter in vielen bakteriellen Krankheitserregern vorkommen, stellen sie bei der Entwicklung neuer Antibiotika wichtige Angriffsziele dar. Weitere Anwendungen eröffnen sie in der synthetischen Biologie. Zum Beispiel lassen sich Bakterien mit Riboschaltern gentechnisch so modifizieren, dass sie niedermolekulare Umweltgifte, wie Herbizide, aufspüren und abbauen können. Voraussetzung ist allerdings ein grundlegendes Verständnis der Prozesse, auf denen die Funktion der Riboswitches beruht. Dazu trägt die nun im Magazin Nature Chemical Biology vorgestellte Arbeit wesentlich bei.
Die von der Heidelberg Karlsruhe Research Partnership (HEiKA) geförderte Arbeit entstand in Kooperation der Forschergruppen um Professor Gerd Ulrich Nienhaus am Institut für Angewandte Physik (APH), Institut für Nanotechnologie (INT) und Institut für Toxikologie und Genetik (ITG) des KIT sowie um Professor Andres Jäschke am Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB) der Universität Heidelberg. Im Fokus der Arbeit steht der S-Adenosyl-L-Methionin (SAM)-I Riboschalter. „Bei diesem Riboschalter bewirkt die Anbindung des SAM-Moleküls, dass sich die Konformation, das heißt die räumliche Anordnung der Atome, von der Antiterminator (AT)-Struktur zur Terminator (T)-Struktur hin verändert“, erklärt Nienhaus. „Dadurch wird die Genexpression abgeschaltet.“
Zunächst synthetisierten die Wissenschaftler in Heidelberg die SAM-I Riboschalter und markierten sie an verschiedenen Stellen gezielt mit je zwei unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen. Die Forscher am KIT untersuchten diese RNA-Moleküle dann in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit höchst sensitiven Lichtmikroskopen, welche die Fluoreszenzemission einzelner Farbstoffmoleküle registrierten. In Förster-Resonanzenergietransfer-Experimenten (FRET) ließ sich die Konformationsdynamik direkt erfassen: Ein grüner Farbstoff wird dazu mit Laserlicht zur Lichtemission angeregt. Befindet sich in der Nähe ein roter Farbstoff, kann dieser die Anregungsenergie des grünen Farbstoffs übernehmen und selbst Licht aussenden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Energietransfer stattfindet, ist stark abhängig vom Abstand der Farbstoffe zueinander, sodass sich Strukturänderungen eines Moleküls, an das die Farbstoffe gezielt angebracht sind, direkt über die Emission des roten Farbstoffs beobachten lassen. Da die Lichtemission extrem schwach ist, bedurfte es aufwendiger Datenanalyseverfahren, basierend auf Hidden Markov Modeling. Professorin Bettina Keller vom Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin entwickelte die Verfahren speziell für diese Art von Experimenten, um die zeitabhängigen Lichtemissionssignale aus dem Rauschen herauszuheben.
Bei der Analyse gelang es den Forschern, nicht nur zwei Konformationen (T und AT) des SAM-I Riboschalters zu unterscheiden, sondern insgesamt vier (T1, T2, AT1 und AT2). Überraschend war auch, dass der Riboschalter in An- und Abwesenheit von SAM nicht, wie eigentlich zu erwarten war, vollständig zwischen T- und AT-Strukturen hin und her schaltete, sondern ständig zwischen allen Zuständen hin und her fluktuierte; lediglich deren Gewichtungen waren verschoben. Ein für die biologische Funktion besonders wichtiges Ergebnis war, dass die beobachteten Strukturfluktuationen mit angedocktem SAM deutlich schneller waren als ohne SAM. Da die Riboschalter-Sequenz auf der Boten-RNA direkt vor dem zu steuernden Gen liegt, muss das RNA-Molekül nach der Synthese – bei Anwesenheit von SAM – schnellstmöglich eine T-Struktur (Schalter aus) einstellen können, um die anschließende Transkription des zu steuernden Gens zu verhindern. Die Beschleunigung der Strukturfluktuationen durch SAM-Bindung stellt demnach sicher, dass die T-Struktur schnell genug eingestellt werden kann. „Mithin spielt die Dynamik des SAM-I Riboschalters eine entscheidende Rolle für seine Funktion“, resümiert Nienhaus vom KIT. „Diese detaillierten Einblicke in die Funktionsweise eines Biomoleküls verdanken wir einem fächerübergreifenden Forschungsansatz mit Beiträgen aus der Physik, der Biotechnologie und der theoretischen Chemie.“ (or)
Publikation:
Christoph Manz, Andrei Yu Kobitski, Ayan Samanta, Bettina G Keller, Andres Jäschke & G Ulrich Nienhaus: Single-molecule FRET reveals the energy landscape of the full-length SAM-I riboswitch. Nature Chemical Biology (2017). DOI: 10.1038/nchembio.2476
Externer Link: www.kit.edu
Medienmitteilung der Universität Basel vom 25.09.2017
Um sich unliebsamer Konkurrenten zu entledigen, bedienen sich einige Bakterien einer ausgeklügelten Waffe – der Nanoharpune. Forscher vom Biozentrum der Universität Basel haben nun ganz neue Einblicke in deren Bau, die Funktionsweise sowie das Recycling gewonnen. Wie sie im Fachblatt «Nature Microbiology» berichten, bohrt sich die Nanoharpune in wenigen Tausendstelsekunden in die Zellwand der Nachbarzelle und injiziert dort einen Giftcocktail.
Dicht an dicht drängeln sich Millionen winziger Mikroben auf Blättern, Steinen oder unserer Haut. Und beinahe überall müssen sie um Ressourcen und Nährstoffe wetteifern. Im Laufe der Evolution haben daher einige Bakterien eine Waffe entwickelt, mit der sie ihren Konkurrenten und Gegnern in der Umgebung einen Giftcocktail injizieren und sie so ausschalten. In der Fachwelt wird dieser einer Harpune ähnelnden Waffe auch als Typ 6 Sekretionssystem (T6SS) bezeichnet.
Bereits vor zwei Jahren gelang es Prof. Marek Basler den atomaren Aufbau der Nanoharpune im «abgefeuerten» Zustand aufzuklären. In der aktuellen Studie, die in Zusammenarbeit mit verschiedenen Forschungsgruppen und Technologieplattformen am Biozentrum entstand, legte das Team nun erstmals die Struktur der Nanoharpune im «abschussbereiten» Zustand offen. Anhand dieser Erkenntnisse konnten die Forscher nun zeigen, wie die T6SS-Harpune im Detail funktioniert.
Struktur der Nanoharpune verändert sich beim Abfeuern
Die Harpune ist aus verschiedenen Bauteilen aufgebaut, dazu gehören eine äussere Hülle und ein Speer mit einer scharfen Spitze. Die Hülle selbst besteht aus über 200 zahnradartigen Proteinringen, die sich um den starren Speer herumwinden. Beim Abfeuern des T6SS zieht sich die Hülle zusammen und stösst dabei den Giftspeer aus der Zelle heraus. Dieser dringt in die benachbarten Zellen ein und setzt dort tödliche Toxine frei. «Bis jetzt gab es nur Vermutungen darüber, wie sich die Struktur der T6SS-Hülle bei der Kontraktion verändert», sagt Basler. «Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie, die am C-CINA durchgeführt wurde, erhielten wir nun erstmals von der gedehnten Hüllstruktur ein Bild in atomarer Auflösung.»
Durch den Vergleich der Strukturen im gedehnten und kontrahierten Zustand konnten die Forscher am Rechner modellieren, wie das T6SS genau funktioniert. «Beim Zusammenziehen der Hülle, verdreht sich Ring für Ring. Dadurch wird der Abstand zum vorherigen Ring kleiner, der Durchmesser nimmt zu und der Speer wird freigelegt», erklärt Basler. «Die Kombination aus Schrumpfen und Drehen führt dazu, dass der Speer ein Loch in die Zielzelle bohrt. Innerhalb von weniger als zwei Millisekunden zieht sich die T6SS-Hülle auf die Hälfte ihrer Länge zusammen und schraubt gleichzeitig den Giftspeer heraus. Die Bakterien verfügen demnach über einen extrem leistungsfähigen Bohrer.»
Nur kontrahierte T6SS-Hülle wird demontiert
Darüber hinaus beschäftigte die Forscher eine weitere Frage. Einige Bakterien verwenden nach dem Abfeuern der Harpune einzelne Bauteile der Hülle für den Bau einer neuen Harpune. «Uns war lange Zeit nicht klar, warum nur die kontrahierte, nicht aber die gedehnte Hüllstruktur demontiert wird», sagt Basler. «Jetzt konnten wir sehen, dass aus der Oberfläche der kontrahierten Hülle ein Proteinabschnitt herausragt, der von einem Protein erkannt wird, der dieses Bauteil in seine Einzelteile zerlegt. Im gedehnten Zustand der Nanoharpune ist dieser Abschnitt jedoch versteckt und die T6SS-Hülle so vor der Demontage geschützt.»
Auch zukünftig soll die Nano-Harpune der Bakterien weiter Gegenstand der Forschung sein. «Eines unserer Projekte widmet sich der Frage, wie das T6SS in der Bakterienhülle befestigt ist. Wenn die Harpune mit so einer Wucht abgefeuert wird, dann muss diese sehr fest verankert sein, ansonsten würde die Waffe nicht einwandfrei funktionieren oder deren Abschuss könnte für den Waffenträger selbst tödlich enden.»
Originalbeitrag:
Jing Wang, Maximilian Brackmann, Daniel Castaño-Díez, Mikhail Kudryashev, Kenneth N. Goldie, Timm Maier, Henning Stahlberg and Marek Basler
Cryo-EM structure of the extended type VI secretion system sheath-tube complex
Nature Microbiology (2017), doi: 10.1038/s41564-017-0020-7
Externer Link: www.unibas.ch
Presseaussendung der TU Wien vom 20.09.2017
Ein völlig neuartiges Braille-Display wurde von Tetragon, einem TU Wien-Spin-Off, erfunden. Es ist einfach, kosteneffizient und problemlos zu transportieren.
Die Braille-Schrift hat sich seit vielen Jahrzehnten bestens bewährt. Doch noch immer ist die Braille-Schrift nicht wirklich im Computerzeitalter angekommen. Braille-Displays sind teuer, kompliziert und sperrig. Das österreichische Startup-Unternehmen Tetragon, ein Spin-off der TU Wien, entwickelte nun aber ein völlig neues Konzept: Das Tetragon-Display besteht aus einem Ring, an dessen Innenseite Buchstaben in Braille-Schrift angezeigt und ertastet werden können. Dieser Ring ist technisch verhältnismäßig einfach, er passt in jede Jackentasche und er soll deutlich preisgünstiger sein als bisher verfügbare Produkte.
Verschiedene Ideen mit verschiedenen Nachteilen
Prof. Wolfgang Zagler beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Technologien, die älteren oder körperlich beeinträchtigten Menschen helfen sollen. „Seit Jahrzehnten weiß man, dass die Frage nach dem optimalen Braille-Display nicht zufriedenstellend gelöst ist“, sagt Zagler. „Es gab immer wieder verschiedene Ansätze – mit elektromagnetisch gesteuerten beweglichen Stiften, mit Piezoelementen und anderen Technologien, aber all diese Konzepte hatten ihre Nachteile.“ Manche Displays haben einen hohen Stromverbrauch oder eine recht begrenzte Haltbarkeit, sie sind allenfalls für den Einsatz im Büro geeignet aber nicht transportabel, sie sind technisch kompliziert und daher meist sehr teuer.
„Natürlich gibt es heute Sprachausgabe-Software, mit der man sich Texte vorlesen lassen kann – aber das ist kein vollwertiger Ersatz“, ist Wolfgang Zagler überzeugt. „Lesen ist schließlich eine wichtige Kulturtechnik, es ist unverzichtbar, dass blinde Menschen auch in Zukunft mit der Braille-Schrift vertraut sind. Wir wollen einen Beitrag dafür leisten, dass die Braille-Schrift den Schritt ins Zeitalter der mobilen Computer schafft.“
Die Lösung: Ein beweglicher Ring
Gemeinsam mit Michael Treml und Dominik Busse, zwei seiner ehemaligen Studenten, entwickelte Wolfgang Zagler eine völlig neue Idee: Die Blindenschrift soll nicht mehr auf einer unbeweglichen Zeile angezeigt werden. Stattdessen tastet man das Innere eines drehbaren Rings ab. „Ähnlich wie eine Computermaus kann man den Ring anfassen und über die Tischoberfläche ziehen“, erklärt Zagler. „Der Zeigefinger befindet sich dabei im Inneren des Ringes, und dort ertastet man die Buchstaben, die bei jeder Umdrehung des Rings neu gebildet werden. So entsteht beim Lesen der Eindruck einer unendlich langen Zeile.“
Die sechs tastbaren Punkte, aus denen in der Braille-Schrift jeder Buchstabe aufgebaut ist, wurden in drei Zweiergruppen zerlegt. „Für jede Zweiergruppe gibt es vier Möglichkeiten: Zwei Punkte, ein Punkt links, ein Punkt rechts, oder gar kein Punkt“, erklärt Wolfgang Zagler. „Diese vier Möglichkeiten werden auf den vier Seiten eines Quaders aufgebracht. Während sich diese Quader auf der Innenseite des Rings im Kreis bewegen, können sie nach Belieben verdreht werden, sodass für den nächsten Ablesevorgang aus drei Quadern der gewünschte Buchstabe angezeigt wird.“
Dieser einfache Ansatz – die Drehung von Quadern – ist viel einfacher zu realisieren als die Anzeige von Braille-Buchstaben durch bewegliche Stifte. Dadurch wird das Display robust und wenig fehleranfällig. Durch die ringförmige Konstruktion ist eine kompakte Bauweise möglich, und man kann das Gerät problemlos mit sich tragen.
„Das Konzept ist bereits patentiert, wir bereiten derzeit eine Firmengründung vor“, sagt Wolfgang Zagler, der nach 45 Jahren an der TU Wien nun seit 2016 als Professor pensioniert ist – was seinen Forschergeist offensichtlich nicht gebremst hat. „Einige wichtige Fragen sind noch zu klären – etwa, welche Materialien man am besten wählt, wie man Aktuatoren mit möglichst geringem Stromverbrauch einsetzt und welche ergonomischen und haptischen Eigenschaften am angenehmsten sind. Doch all das sollte sich in den nächsten Monaten beantworten lassen.“
Der Preis des fertigen Geräts steht noch nicht fest, das Tetragon-Display soll aber deutlich billiger werden als bisher verfügbare Produkte: „Wir wollen das Display um den Preis eines Smartphones anbieten – da sind wir sehr zuversichtlich“, sagt Zagler. (Florian Aigner)
Externer Link: www.tuwien.ac.at