Den Ring schließen

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Presseinformation der LMU München vom 27.04.2016

Wie Bakterien sich teilen, ist bisher nicht vollständig klar. LMU-Physiker zeigen jetzt, dass sich Proteine bei hoher Dichte von selbst zu Ringen zusammenschließen können. Sie schnüren die Mutterzelle ein und teilen sie so in Tochterzellen.

Das Abschnüren besiegelt die Trennung: Bakterien vermehren sich mithilfe eines Proteinrings, der sich in der Zellmitte wie ein Gummiband zusammenzieht und die Mutterzelle in zwei Tochterzellen teilt. LMU-Physiker um Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik, haben nun mithilfe von mathematischen Modellierungen untersucht, welche Mechanismen die Entstehung dieses sogenannten Z-Rings steuern. Dabei haben die Forscher einen ganz neuen Mechanismus der Musterbildung entdeckt: Die Simulationen zeigen, dass sich die ringbildenden Proteine von einer gewissen Moleküldichte an von selbst organisieren und zu Ringen zusammenschließen. „Aus biologischer Sicht ist dies hoch interessant, weil es ein völlig neues Licht auf die bisher nicht verstandene Dynamik der bakteriellen Zellteilung wirft“, sagt Frey. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters.

Der Z-Ring besteht aus sogenannten FtsZ-Proteinen, die sich zu gekrümmten Polymeren zusammenschließen, wie Experimente auf künstlichen Membranen zeigten. Diese Polymere können ihre Position verändern, indem einzelne Proteinbausteine aktiv umverteilt werden: Am Anfang des Proteins werden neue Bausteine angebaut, während am Polymerende Proteine wieder entfernt werden. Durch diesen sogenannten „Tretmühleneffekt“ scheint das Polymer über die Membran zu kriechen. „Unter bestimmten Versuchsbedingungen bilden die Polymere nach einiger Zeit Cluster, die sich zu rotierenden Ringen zusammenschließen“, sagt Jonas Denk, gemeinsam mit Lorenz Huber Erstautor der Studie. „Interessanterweise haben diese Ringe in etwa den Durchmesser einer Bakterienzelle“.

Rotierende Cluster

Den Wissenschaftlern gelang es nun, diesen ungewöhnlichen Effekt mithilfe von mathematischen Modellen zu simulieren, die die Krümmung der Polymere und ihre damit verbundene Kreisbewegung berücksichtigen. Als weiterer Parameter ging in die Simulation ein, dass sich die Polymere gegenseitig abstoßen, es also kein „Übereinanderlaufen“ der Polymere gibt. „Unsere zentrale Frage war, welcher Mechanismus die Bildung der ringförmigen Muster antreibt“, sagt Huber. Die Simulationen haben nun gezeigt, dass die Dichte der Polymere – also die Teilchenzahl – der entscheidende Faktor ist: Sind nur wenige Teilchen vorhanden, gibt es kaum Wechselwirkungen und die einzelnen Polymere bleiben voneinander separiert. Steigt die Teilchenzahl jedoch, kollidieren die Polymere miteinander. Als Folge der Kollisionen und der Kreisbewegung der einzelnen gekrümmten Polymere gruppieren sich die Polymere dann zu Clustern zusammen, die einen dichten rotierenden Ring bilden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler legen ihre Ergebnisse nahe, dass auch die Bildung des Z-Rings in Bakterienzellen auf dieser Selbstorganisation der FtsZ-Polymere beruht – dass also die Proteindichte auch in lebenden Zellen die treibende Kraft ist, über die die Zelle die Ringbildung steuert. Ein solches sich selbst antreibendes System wäre ein völlig neuartiger Mechanismus der Ringbildung, der sich grundlegend davon unterscheidet, wie etwa in eukaryotischen Zellen Zellwände abgeschnürt werden: „Dort sind für diesen Prozess bestimmte Motorproteine essenziell, die sich an die Zellwände anheften und richtig ziehen“, sagt Denk. Zusätzlich zu ihrer biologischen Bedeutung seien diese Ergebnisse auch aus mathematisch-physikalischer Sicht hoch interessant, erklärt Huber: „Die Phänomenologie unseres Modells unterscheidet sich stark von konventionellen Klassen angetriebener oder aktiver Teilchen. Seine mathematische Beschreibung führt zu einer verallgemeinerten Version einer komplexen Gleichung, die im Zusammenhang mit Phänomenen wie der bakteriellen Turbulenz und der Musterbildung in allgemeinen, nichtlinearen Systemen eine Rolle spielt.“

Publikation:
Physical Review Letters 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Ionenkanal-Forschung erhöht die Sicherheit von Arzneimitteln

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Pressemeldung der Universität Wien vom 12.04.2016

Neue Aminosäure von Arzneistoffrezeptor an Kaliumkanal des Herzmuskels identifiziert

Am Department für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Wien untersuchen WissenschafterInnen seit Jahren den Öffnungs- und Schließmechanismus von so genannten Ionenkanälen. Diese bestimmen u.a. die Kontraktion des Herzmuskels: Kalzium löst die Kontraktion aus, Kalium sorgt für die anschließende Entspannung. Ionenkanäle sind damit wichtige Angriffspunkte zahlreicher Medikamente: Die Erforschung dieser Proteine hilft festzustellen, ob Medikamente im Körper unerwünschte Störungen des Herzrhythmus‘ auslösen können. Nun konnten die ForscherInnen eine weitere wichtige Aminosäure identifizieren. Ihre Erkenntnisse publizieren sie in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“.

Wenn das Herz schlägt, strömen zunächst depolarisierende Natrium- und Kalziumionen durch Ionenkanäle der Herzzellen. Der Einstrom von Kalzium löst eine Kontraktion aus und ein anschließender Kaliumausstrom sorgt dafür, dass sich das Potential an der Zellmembran wieder dem Ruhepotential annähert.

Der wichtigste Kaliumkanal für diese Repolarisation ist der sogenannte HERG-Kaliumkanal. Bekannt wurde dieser Kanal, weil er durch eine Vielzahl unterschiedlichster Arzneistoffe blockiert werden kann, was wiederum schwere Herzrhythmusstörungen auslöst. Wenn neue Wirkstoffe diesen Kanal hemmen, wird die Arzneistoffentwicklung häufig eingestellt, weswegen der HERG-Kanal auch als „drug killer“ bezeichnet wird. Bisher konnten WissenschafterInnen sechs Aminosäuren in der Kanalpore identifizieren, die wahrscheinlich den Rezeptor für diese unterschiedlichen Arzneistoffe bilden.

Priyanka Saxena, einer Studentin des Doktoratskollegs „Ionenkanäle und Transporter als molekulare Drug Targets (MolTag)“, ist es nun am Department für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Wien gelungen, eine weitere wichtige Aminosäure zu identifizieren: Phenylalanin 557 ist eine neue Bindungsdeterminante, die eine wichtige Rolle bei der Hemmung von HERG-Kanälen durch Arzneistoffe spielt. Diese neuen Erkenntnisse beruhen auf einer theoretischen Vorhersage der Molecular Modelling Gruppe des Departments. Anna Weinzinger: „Die Hypothese, dass auch andere Aminosäuren an der Interaktion mit HERG-Blockern beteiligt sind, haben wir bereits vor einigen Jahren aufgestellt. Eine Kombination von molekularem Modeling, gerichteter Mutagenese und direkten Messungen von Ionenströmen durch mutierte HERG-Kanäle von Priyanka Saxena machte den Beweis möglich. Spannend ist, dass sich Phenylalanin in Position 557 nicht in der Kanalpore befindet, wo bisher der Rezeptor für Kanalblocker vermutet wird, sondern sozusagen in einer Seitentasche des Moleküls.“

„Da die Interaktion von Arzneistoffkandidaten mit dem HERG-Kanal in industrieller Forschung häufig zunächst in silico, d.h. an Computermodellen des Kanals getestet wird, müssen diese Modelle weltweit durch die von uns vorhergesagte Aminosäure (Phenylalanin 557) ergänzt werden. Da es sich um einen sehr wichtigen Teil des Arzneistoffrezeptors handelt, können Aussagen an Computermodellen künftig mit höherer Präzision erfolgen. Diese Arbeit hat einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit künftiger Arzneistoffe geleistet“, schließt Steffen Hering, Leiter des Doktoratskollegs.

Publikation:
New potential binding determinant for hERG channel inhibitors: P. Saxena, E.-M. Zangerl-Plessl, T. Linder, A. Windisch, A. Hohaus, E. Timin, S. Hering & A. Stary-Weinzinger;
Scientific Reports, April 2016;
DOI: 10.1038/srep24182

Externer Link: www.univie.ac.at

Motor aus einem Atom

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Pressemeldung der Universität Kassel vom 15.04.2016

Physiker der Universität Kassel und der Universität Mainz bauen die kleinste Wärmekraftmaschine der Welt; sie arbeitet mit einem einzelnen Atom.

Das Wissenschaftsmagazin Science berichtet in seiner aktuellen Ausgabe über eine neuartige Wärmekraftmaschine, die mit nur einem einzelnen Atom funktioniert. Es handelt sich um Experimente, die unter Leitung von Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer, Leiter des Fachgebiets Experimentalphysik I an der Universität Kassel, noch in seiner Zeit an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt wurden.

Seit der industriellen Revolution spielen Wärmekraftmaschinen in unserer Gesellschaft eine entscheidende Rolle. Sie wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, und sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig führt die Miniaturisierung zu immer kleineren technischen Geräten.

Die Wissenschaftler um Prof Dr. Kilian Singer nutzen eine sogenannte Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern. Das Atom kann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt werden. Dadurch durchläuft es einen thermodynamischen Kreisprozess, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt. Somit spielt das Atom die Rolle des Motors und des Energie-speichers gleichermaßen.

In ausführlichen Messreihen konnten die Physiker das thermodynamische Verhalten des Motors charakterisieren. Wie die Forscher nun in ihrer Veröffentlichung zeigen, liefert der Ein-Atom-Motor eine Leistung von 10-22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. Normiert man die Leistung der Einzelatommaschine auf die geringe Masse eines Atoms, ist ihre Leistung vergleichbar mit der eines Automotors. „Durch die Umkehr des Kreisprozesses können wir die Maschine als einatomigen Kühlschrank betreiben und damit gekoppelte Nanosysteme kühlen“, teilt Johannes Roßnagel, Erstautor der Studie, dazu mit.

Besonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, dass die Realisierung eines solchen Nanomotors einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hochaktuelles Forschungsgebiet. In Zukunft ist geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und thermodynamische Quanteneffekte zu untersuchen. Theoretische Arbeiten haben vorgeschlagen, die Leistung einer Wärmekraftmaschine durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern. So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.

Das Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projektes „Einzelionenwärmekraftmaschine“ und durch die Volkswagenstiftung im Rahmen des Projektes „Atomarer Nanoassembler“.

Veröffentlichung:
Johannes Roßnagel et al.
A single-atom heat engine
Science, 15. 4. 2016
DOI: 10.1126/science.aad6320

Externer Link: www.uni-kassel.de

Beta-Zellen aus der Speckrolle

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 11.04.2016

Forschende der ETH Zürich haben es geschafft, Stammzellen aus Fettgewebe mit einem künstlichen genetischen Programm so zu steuern, dass aus ihnen Zellen werden, die natürlichen Beta-Zellen sehr nahe kommen. Ein wichtiger Schritt hin zum persönlichen Reparaturset bei Diabetes.

Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwissenschaften, hat mit seiner Forschungsgruppe am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel ein Kunststück geschafft, das viele Fachleute bislang für unmöglich gehalten haben: Sie haben aus dem Fettgewebe einer 50-jährigen Testperson Stammzellen gewonnen und diese mithilfe einer genetischen Umprogrammierung dazu gebracht, in funktionsfähige Beta-Zellen auszureifen.

Die mit dieser «genetischen Software» erzeugten Beta-Zellen produzieren in Anwesenheit von Glucose das Hormon Insulin, genauso wie natürliche, die in der Bauchspeicheldrüse vorkommen. Dies berichten die Forschenden im Fachjournal «Nature Communications».

Reifungsdynamik nachgestellt

Die Basler Biotechnologen fügten in die Stammzellen ein künstliches und hochkomplexes Gennetzwerk – die genetische Software – ein. Diese legten sie so aus, dass sie die wichtigsten der in diesen Reifungsvorgang involvierten Wachstumsfaktoren zeitlich und mengenmässig genau rekonstruiert.

Zentral sind die Wachstumsfaktoren Ngn3, Pdx1 und MafA, deren Konzentrationen während des Differenzierungsprozesses unterschiedlich hoch sind. So fehlt MafA zu Beginn der Reifung. Erst ab dem vierten Tag, während des letzten Reifungsschrittes, steigt die Konzentration dieses Faktors steil an und bleibt auf hohem Niveau konstant. Anders die Konzentrationen von Pdx1 und Ngn3: Letzterer erreicht den höchsten Pegelstand an Tag vier. Danach sinkt er ab. Pdx1 hingegen steigt zweimal stark an: Zu Beginn und zum Schluss der Reifung. Dazwischen sinkt der Pdx1-Pegelstand.

Fussenegger betont, dass eine möglichst naturnahe Nachbildung dieser Verläufe unerlässlich sei, um aus Fettzellen funktionierende Beta-Zellen zu machen. «Das Timing und die richtige Menge dieser Wachstumsfaktoren sind extrem wichtig.»

Neue Beta-Zellen sprechen auf Glucose an

Der ETH-Professor wertet es als Durchbruch, dass das Umprogrammieren mithilfe eines künstlichen Gennetzwerkes gelungen ist. Bisher steuerten Wissenschaftler Stammzelldifferenzierungen über die Zugabe von verschiedenen Chemikalien und Eiweissen per Pipette. «Die richtige Menge dieser Komponenten im richtigen Moment von Hand beizugeben, ist sehr schwierig, ineffizient und unmöglich grosstechnisch umzusetzen», sagt Fussenegger. Mit dem neuen Verfahren gelingt es, drei von vier Fett-Stammzellen in Beta-Zellen umzuwandeln.

Die künstlichen Beta-Zellen sind ihren natürlichen Vorbildern nicht nur optisch sehr ähnlich – beide weisen in der Zelle dunkle Körnchen auf, welche das Insulin speichern. Sie funktionieren auch ähnlich wie natürliche Beta-Zellen. «Noch sind die Insulin-Mengen nicht so hoch wie die von natürlichen Beta-Zellen», räumt Fussenegger ein. Entscheidend sei aber, dass es zum ersten Mal gelungen sei, die ganze Prozesskette von der Stammzelle zur ausdifferenzierten Beta-Zelle gemäss dem natürlichen Vorbild nachzustellen.

Implantat aus körpereigenen Zellen

Die Technik der Basler ETH-Forschenden könnte es künftig erlauben, für Diabetes-Patienten aus ihrem eigenen Fettgewebe neue Beta-Zellen herzustellen und diese zu implantieren. Transplantationen von Beta-Zellen wurden zwar schon vorgenommen, aber wie bei allen Verpflanzungen von fremden Organen oder Teilen davon muss danach das Immunsystem des Empfängers unterdrückt werden. «Eine solche Massnahme wäre bei unseren Beta-Zellen wohl kaum nötig, da wir sie ja aus körpereigenem Zellmaterial des Patienten gewinnen. Deshalb ist unsere Arbeit für die Diabetes-Behandlung so interessant», sagt der ETH-Professor.

Vollständige Ausreifung in der Kulturschale

Bislang haben die ETH-Forscher ihre Beta-Zellen erst in Kulturen gezüchtet und noch nicht in einen Diabetes-Patienten eingesetzt. Sie wollten erst herausfinden, ob das synthetische Gen-Programm Stammzellen tatsächlich vom Anfang bis zum Ende ausdifferenzieren lässt. Fussenegger ist überzeugt, dass sie mit der neuen Methode auch andere Zelltypen aus Stammzellen des Körperfetts erzeugen können. «Und die meisten Menschen haben überschüssiges Fett, aus dem sich die Vorläuferzellen gewinnen lassen.»

Literaturhinweis:
Saxena P, Heng BC, Bai P, Folcher M, Zulewski H, Fussenegger, M. A programmable synthetic lineage-control network that differentiates human IPSCs into glucose-sensitive insulin-secreting beta-like cells. Nature Communications, published online April 11th 2016. DOI: 10.1038/NCOMMS11247

Externer Link: www.ethz.ch

Mobilfunknetz ermöglicht Regenmessung

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.04.2016

Forscher ermitteln Niederschlagsmenge aus Leistungsschwankungen auf Richtfunkstrecken / Wassermanagement in Entwicklungsländern kann von neuer Messtechnik profitieren

Regentropfen dämpfen die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Meteorologen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) machen sich dieses physikalische Phänomen zunutze: Mit einer eigens entwickelten Software leiten sie aus den Strahlungsschwankungen innerhalb der Richtfunkstrecken von Mobilfunknetzen Informationen über Regenfälle ab. Die Technik ergänzt die konventionelle Messung und bietet Potenzial für das Wassermanagement in Ländern, in denen es nur sehr wenige Wetterstationen gibt.

Üblicherweise bestimmen Meteorologen die Menge Regen, die innerhalb einer bestimmten Zeit fällt, mit Hilfe von automatischen Niederschlagstöpfen oder mittels Regenradar. Die neue Messmethode wertet Strahlungsschwankungen zwischen Sendemasten von Mobilfunkbetreibern aus, um festzustellen, wann es wo wieviel regnet. Wissenschaftler am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU) des KIT in Garmisch-Partenkirchen erforschen diese Technik seit 2010 in Deutschland. Ein Vorteil der neuen Methode liegt darin, dass sie mit nur minimaler Zeitverzögerung über lokale Regenfälle informiert. Zum anderen ermöglicht das eng geknüpfte Netz der Mobilfunkmasten eine hohe regionale Abdeckung mit Messungen.

„Regentropfen sind etwa so groß wie die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung der mit einer Frequenz von 15 und 40 Gigahertz betriebenen Richtfunkstrecken, deshalb dämpfen sie die Strahlung in diesem Frequenzbereich stark“, erläutert Professor Harald Kunstmann vom IMK-IFU. Je stärker es regnet, desto stärker ist der Leistungsabfall zwischen zwei Antennen. Handynutzer bemerken von dieser Beeinträchtigung des Funksignals in der Regel wenig. Allenfalls bei extremem Starkregen kann die Strahlung so sehr gedämpft sein, dass die Kommunikation zwischen den Mobilfunkmasten aussetzt und die Telefonverbindung abbricht. Den Forschern genügen die Schwankungen, um anhand der Dämpfungsraten festzustellen, wo es wie stark regnet.

Die Empfindlichkeit des Messverfahrens ist genauso hoch wie bei der klassischen Methode mit Niederschlagstöpfen. „Die Nachweisgrenze liegt bei einer Regenrate von einem Millimeter pro Stunde, und die Daten liegen mit einer Zeitverzögerung von nur einer Minute vor“, sagt Dr. Christian Chwala, Mitarbeiter in Kunstmanns Forschungsgruppe. Für Schnee funktioniert die Methode wegen der besonderen Struktur dieser Niederschlagsart allerdings nicht.

Getestet wurde die neue Technik anhand der Dämpfungsraten von 450 Richtfunkstrecken im südlichen Bayern. Ericsson Deutschland als Kooperationspartner ermöglicht es den Klimaforschern des KIT mit ihrer eigens entwickelten Software einlaufende Daten direkt vom Rechenzentrum des Mobilfunknetzbetreibers zum KIT Campus Alpin zu übermitteln. Dort werden die Daten dann prozessiert und nach auffälligen Leistungsschwankungen durchsucht. Die Forscher benötigen dafür nur die Daten der Sende- und Empfangsleistung der Richtfunkstrecken. Sensible Informationen, wie z.B. Details der übertragenen Kommunikation, werden nicht erfasst.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Untersuchungen im Zuge des Projekts „Integrating Microwave Link Data For Analysis of Precipitation in Complex Terrain: Theoretical Aspects and Hydrometeorological Applications” (IMAP) für vorerst zwei Jahre mit insgesamt 600.000 Euro gefördert. Das Projekt ist Teil einer trilateralen Kooperation mit Einrichtungen in Israel und Palästina. Eine Verlängerung für weitere drei Jahre ist beantragt, mit dem Ziel, die Zahl der ausgewerteten Richtfunkstrecken zu erweitern, die Qualität der automatisierten Datenauswertung zu verbessern und schließlich konkret auch für Hochwasser-Vorhersagezwecke zu nutzen. Auch die Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg unterstützt die Forschung.

„Deutschlandweit gibt es etwa 1000 Messstellen für Niederschlag, aber schätzungsweise 100.000 Richtfunkstrecken, die sich theoretisch in den Messprozess einbeziehen ließen“, erläutert Dr. Felix Keis, ebenfalls Mitarbeiter in der Forschungsgruppe. Vor Hochwasser in Bergregionen könnte mithilfe der neuen Messtechnik schneller gewarnt werden. „Die Methode birgt aber vor allem großes Potenzial für Länder, in denen es nur wenige oder gar keine Wetterstationen oder Regenradargeräte gibt, jedoch ein dichtes Mobilfunknetz zur Verfügung steht“, betont Harald Kunstmann. Beispielsweise in Regionen wie West-Afrika könnte die Messmethode dazu beitragen, genauere Niederschlagsinformation zu erhalten, um die für das Wassermanagement dringend notwendigen Vorhersagemodelle zu verbessern. Unter Federführung des KIT knüpfen internationale Forscher Kontakte mit westafrikanischen Wissenschaftlern und Mobilfunkbetreibern, unter anderem in Ghana und Burkina Faso, um dort für die innovative Methode zu werben. (le)

Externer Link: www.kit.edu