30.09.2009 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 28.09.2009

Mini-Röntgenquelle ebnet den Weg für brilliante Strahlung

Das Potential der Lasertechnik scheint unerschöpflich. Den Beweis hat nun ein internationales Team vom Münchener Exzellenzcluster „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) im Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching erneut erbracht. Ebenfalls beteiligt waren das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf und das Clarendon Laboratory der Universität in Oxford (Großbritannien). Den Physikern ist es erstmals im Labormaßstab gelungen, weiche Röntgenstrahlung mit Hilfe von Laserlicht zu erzeugen, indem sie Pulse von Elektronen durch intensive Laserblitze generieren. Nachdem derselbe Laserstrahl in einer tausendmal kürzeren Distanz als bisher nötig die Elektronenpulse auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt hat, werden diese in einen kurzen Undulator fokussiert. In dessen Inneren zwingen magnetische Felder auf einen Schlingerkurs,  so dass sie Röntgenstrahlung emittieren. Das Experiment zeigt, dass mit Hilfe von Licht sogenannte „brillante Röntgenstrahlung“ erschaffen werden kann, bei der extrem viele Photonen mit gleicher Wellenlänge in einem Strahl gebündelt sind. Die Strahlung bietet weitaus mehr Anwendungen als herkömmliche Röntgenstrahlung. Sie konnte bisher aber nur in kilometergroßen Beschleunigeranlagen produziert werden. Die LAP-Forscher haben nun die Türe aufgestoßen, brillante Röntgenstrahlung auch in viel kompakteren Geräten zu gewinnen. (Nature Physics online, 27. September 2009).

Seit ihrer Entdeckung im ausgehenden 19. Jahrhundert ermöglicht Röntgenstrahlung  Einblicke in Welten, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Heute ist die Strahlung aus der Medizin, der Physik, den Materialwissenschaften und der Chemie nicht mehr wegzudenken. Mittlerweile kann man mit ihr Strukturen sichtbar machen, die  nicht größer als Atome sind. Dazu benötigt man sogenannte „brillante Röntgenstrahlung“, die sehr viele Photonen (Lichtteilchen), die sich im selben Takt bewegen, bündelt. Sie wird heute in kilometergroßen und teuren Beschleunigeranlagen erzeugt. Nur wenige Anlagen weltweit sind überhaupt in der Lage, diese brillante Röntgenstrahlung aufwendig herzustellen. Ein Team um Professor Florian Grüner und Professor Stefan Karsch vom Labor für Attosekundenphysik hat sich das Ziel gesetzt, brillante Röntgenstrahlung kostengünstig und mit wenig Platzaufwand zur Verfügung zu stellen. Einen wichtigen Meilenstein haben die Physiker jetzt erreicht.

Mit Hilfe von intensivem Laserlicht und einem Plasma aus Wasserstoffatomen ist es ihnen erstmals in einem Labor der LMU und des MPQ gelungen, Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von rund 18 Nanometern (weiche Röntgenstrahlung) zu erzeugen. Dazu verwendeten die Physiker Laserpulse, die nur wenige Femtosekunden lang dauern. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. In dieser ultrakurzen Zeit erreichen die Lichtpulse Leistungen von rund 40 Terawatt. Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk erzeugt Leistungen von rund 1000 Megawatt, das ist 1000 Mal weniger. Die gigantischen Leistungen der Pulse werden nur durch ihre extreme Kürze erreicht. Die starken elektrischen und magnetischen Felder der Lichtpulse lösen Elektronen von Wasserstoffatomen und erzeugen so ein Plasma. Diese Elektronen werden mit demselben Laserpuls auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und das auf einer Strecke von nur 15 mm, was einer tausendmal kürzeren Distanz entspricht, als sie von bisher verwendeten Technologien benötigt wird.

Die Elektronen gelangen anschließend in den Undulator, ein rund 30 Zentimeter langes und fünf Zentimeter breites Gerät. Dieser erzeugt in seinem Inneren ein alternierendes Magnetfeld, das die Elektronen auf einen sinusförmigen Schlingerkurs zwingt. Dabei werden die Teilchen hin und her beschleunigt und senden dadurch Photonen im weichen Röntgenbereich aus. Bis heute konnte man in einem anderen Experiment mit ähnlichen Methoden lediglich Licht erzeugen, das sich im sichtbaren oder infraroten Bereich befindet, also viel längere Wellenlängen besitzt als Röntgenstrahlung. Nach den Gesetzen der Optik können mit Licht nur Strukturen abgebildet werden, die der Größe seiner Wellenlänge entsprechen. Wird also etwa ein Objekt mit Röntgenlicht von 18 Nanometer Wellenlänge untersucht, muss es mindestens ebenso groß sein, um gesehen zu werden. Atome und Moleküle sind aber sehr viel kleiner – und möglichst kurze Licht-Wellenlängen entsprechend begehrt.

Die Verkürzung der Wellenlänge der lasererzeugten Röntgenstrahlung ist das nächste Vorhaben der LAP-Wissenschaftler. „Grundsätzlich haben wir mit unserem Experiment gezeigt, dass man Röntgenstrahlung in einem Universitätslabor mit Hilfe von ultrakurzen Lichtpulsen erzeugen kann“, erklärt Florian Grüner. Doch das Potential der Undulator-Technologie ist erheblich größer. „Unser Versuch ebnet den Weg in Richtung einer preiswerten Quelle für lasergetriebene Röntgenstrahlen“, prognostiziert Grüner. Die Physiker wollen nun die Energie der Elektronen erhöhen, die durch den Undulator fliegen. Dazu werden sie die Energie der Lichtpulse steigern, die diese Elektronen erzeugen. Das große Ziel der Gruppe um Grüner besteht in der Realisierung eines laser-getriebenen Freien-Elektronen-Lasers, dessen Licht etwa eine Million mal brillanter ist als die jetzt gemessene Undulatorstrahlung. Die Strahlung soll dann nur noch eine Wellenlänge von wenigen Zehntel Nanometer haben. Sie kann völlig neue, detaillierte Einblicke in den Mikrokosmos der Natur liefern, aber auch in der Medizin helfen, kleinste Tumore zu entdecken, bevor sie sich im Körper ausbreiten. Die Heilungschancen von Krebs würden enorm steigen. (ThN/MPQ)

Publikation:
“Laser-driven soft-X-ray undulator source”;
Matthias Fuchs, Raphael Weingartner, Antonia Popp, Zsuzsanna Major, Stefan Becker, Jens Osterhoff, Isabella Cortrie, Benno Zeitler, Rainer Hörlein, George D. Tsakiris, Ulrich Schramm, Tom P. Rowlands-Rees, Simon M. Hooker, Dietrich Habs, Ferenc Krausz, Stefan Karsch and Florian Grüner;
Nature Physics online, 27. September 2009;
DOI: 10.1038/NPHYS1404

Externer Link: www.uni-muenchen.de

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28.09.2009 von PaulWutz.

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 17.09.2009

Karlsruher untersuchen, wie Biomoleküle mit Nanopartikeln wechselwirken

Wie sich Nanopartikel im Körper verhalten, hängt nicht nur von ihrem chemischen Aufbau ab. Entscheidend ist, wie sie mit biologischen Molekülen wechselwirken. Professor Gerd Ulrich Nienhaus vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat neue Methoden entwickelt, mit der sich dieser dynamische Prozess quantitativ erfassen lässt. (Nature Nanotechnology 4, 577 (2009))

Gelangt ein Nanopartikel ins Blut, wird er umgehend von einer dünnen Schicht aus Biomolekülen umhüllt. Diese als Proteinkorona bezeichnete biologische Oberflächenbeschichtung bestimmt maßgeblich, ob er einfach ausgeschieden wird oder ins Innere einer Körperzelle gelangen kann. „Nanopartikel, die fälschlicherweise in den Körper eindringen, möchte man schnell wieder loswerden. Wenn sie aber zum Beispiel therapeutisch eingesetzt werden, sollen sie von bestimmten Zelltypen gezielt aufgenommen werden. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, wie körpereigene Moleküle an Nanopartikeln anbinden, denn über die Biomolekül-Schicht tritt ein Nanopartikel mit der Zelloberfläche in Kontakt“, erläutert Nienhaus, der vor kurzem von der Universität Ulm an das Centrum für Funktionelle Nanostrukturen des KIT gewechselt hat. Seine in der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Untersuchungsmethoden erlauben es, diese Fragen experimentell anzugehen.

Als Modellprotein wählte der Biophysiker Serumalbumin, ein wichtiges Blutprotein. Wenn es sich auf der Oberfläche eines Nanopartikels anlagert, nimmt dessen Durchmesser zu. In einer wässrigen Lösung bewegen sich Nanopartikel ständig. Diese Diffusionsbewegung wird bei zunehmender Partikelgröße langsamer. Um zu bestimmen, wie dick die Proteinschicht auf einem Nanopartikel ist, ermitteln Nienhaus und sein Team deshalb die Zeit, mit der sich der Partikel durch ein winziges Volumen Flüssigkeit bewegt.

Die Nanopartikel werden so hergestellt, dass sie Fluoreszenzlicht aussenden, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. Daher kann man sie trotz ihres geringen Durchmessers von nur sechs bis acht Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) beobachten. Passiert ein Partikel in einem speziell entwickelten Mikroskop ein extrem kleines Flüssigkeitsvolumen in der Untersuchungskammer, wird es dort von einem Laserstrahl getroffen und sendet für einen Sekundenbruchteil Licht aus. Die Länge des Lichtblitzes kann präzise gemessen werden. Ist der Blitz kurz, bewegt sich der Partikel schnell, ist er lang, bewegt er sich langsam, was auf einen größeren Durchmesser schließen lässt. „Da wir wissen, wie groß ein Albuminmolekül ist, lässt sich daraus mit bekannten Formeln der Physik die Gesamt-Partikelgröße berechnen. Demnach ist die Proteinschicht auf einem Nanopartikel nur eine Moleküllage dick“, fasst Nienhaus die Ergebnisse zusammen.

Aber wie schnell wird diese Hülle aufgebaut, und wie stabil ist sie? Zur Beantwortung dieser Frage markieren die Forscher die Proteine mit einem Farbstoff, der die Fluoreszenz des Nanopartikels abschwächt. Wenn die so behandelten Proteinmoleküle an einen Partikel binden, verringert sich dessen Leuchtintensität. Die Messdaten zeigen, dass ein Serumalbuminmolekül im Durchschnitt etwa 100 Sekunden auf der Partikeloberfläche haftet, bis es sich wieder ablöst und durch ein anderes ersetzt wird.

Nienhaus und sein Team wollen jetzt weitere Kombinationen von unterschiedlichen Biomolekülen und Nanopartikeln untersuchen. Auch Versuche an Zellkulturen werden durchgeführt um zu sehen, wie Zellen auf die umhüllten Nanopartikel reagieren. Die methodische Entwicklung des Karlsruhers eröffnet neue Messmöglichkeiten, die auch bei der Risikobewertung von Nanopartikeln wichtig sind – ein Punkt, den auch ein Beitrag über die Forschungsarbeit von Nienhaus und Mitarbeitern in „News and Views“ in Nature Nanotechnology unterstreicht. (gk)

Literatur:

A quantitative fluorescence study of protein monolayer formation on colloidal nanoparticles. Carlheinz Röcker, Matthias Pötzl, Feng Zhang, Wolfgang J. Parak and G. Ulrich Nienhaus. Nature Nanotechnology 4, 577 (2009).

What does the cell see? Iseult Lynch, Anna Salvati and Kenneth A. Dawson. (News & Views) Nature Nanotechnology 4, 546 (2009).

Externer Link: www.kit.edu

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25.09.2009 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom September 2009

Naturkautschuk stammt vorwiegend aus Gummibäumen in Südost-Asien. Ein Pilz bedroht diese Kautschukquelle jedoch. Forscher haben russischen Löwenzahn nun so optimiert, dass er sich ebenfalls für die großangelegte Kautschukproduktion eignet.

Wer als Kind Löwenzahnblüten gepflückt hat, kennt die weiße Flüssigkeit, die beim Pflücken aus den Stengeln austritt. Zäh, klebrig – und ein begehrtes Material: Naturkautschuk. Etwa 30 000 Produkte des täglichen Lebens enthalten dieses natürliche Gummi. Autoreifen, Katheterschläuche, Latexhandschuhe, Verschlusskappen von Getränkeflaschen sind einige Beispiele. Autoreifen beispielsweise wären ohne den Naturkautschuk nicht elastisch genug. Der Großteil dieses Materials stammt aus Gummibäumen in Südostasien. Der so gewonnene Kautschuk kann jedoch allergische Reaktionen hervorrufen, was besonders bei Klinikartikeln problematisch ist. Zudem erschwert ein Pilz den Anbau: In Südamerika hat er die Pflanzen in solchem Ausmaß befallen, dass sie kaum großflächig kultiviert werden konnten. Die Krankheit scheint nun auch den Kautschukgürtel in Südostasien erreicht zu haben. Noch lässt sich der Pilz mit Fungiziden eindämmen. Würde er sich jedoch flächendeckend ausbreiten, hätten auch die Chemikalien keine Chance mehr – Experten befürchten, dass die Naturkautschukindustrie in diesem Fall zusammenbricht.

Forscher versuchen daher, andere Quellen zu nutzen – etwa russischen Löwenzahn. Aus ihm gewannen Deutsche, Russen und US Amerikaner bereits im zweiten Weltkrieg Kautschuk. Wird die Pflanze verwundet, tropft er aus der Pflanze heraus. Er ist jedoch schwer zu nutzen, weil er sofort polymerisiert. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen sind der großangelegten Kautschukproduktion aus Löwenzahn einen Schritt näher gekommen. »Wir haben das Enzym gefunden, das für die schnelle Polymerisation verantwortlich ist und haben dieses ausgeschaltet«, sagt Prof. Dr. Dirk Prüfer, Abteilungsleiter am IME. »Wird die Pflanze beschädigt, fließt das Latex heraus statt zu polymerisieren. Wir erhalten etwa die vier- bis fünffache Menge wie üblich. Würden die Pflanzen großtechnisch angebaut, ließen sich so auf einem Hektar 500 bis 1000 Kilogramm Latex pro Vegetationsperiode produzieren.« Der Löwenzahn-Kautschuk ruft bisher keine Allergien hervor und wäre daher besonders geeignet für den Einsatz in Kliniken.

Im Labor haben die Forscher den Löwenzahn gentechnisch verändert. In einem weiteren Schritt arbeiten sie daran, die optimierten Pflanzen auf klassischem Weg zu züchten. In etwa fünf Jahren, schätzt Prüfer, könnten sie ihr Ziel erreicht haben. Übrigens eignet sich der Löwenzahn nicht nur für die Kautschukproduktion: Die Pflanze stellt zudem sehr große Mengen des Süßstoffs Indulin her.

Externer Link: www.fraunhofer.de

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23.09.2009 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 16.09.2009

Ein Ergebnis der Systembiologie-Forschung an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Die Doppelhelix der DNA, das genetische Material einer jeden lebenden Zelle, enthält die Gene in einer linearen Anordnung, deren Information während der Wachstums- und Entwicklungsprozesse hintereinander in eine Boten-RNA (mRNA) abgelesen wird. So steht es in den Lehrbüchern.

Die Forschergruppe um Prof. Dr. Wolfgang R. Hess von der Universität Freiburg berichtet im renommierten Wissenschaftsmagazin Molecular Systems Biology (aktuelle online-Veröffentlichung vom 15.09.09: „Evidence for a major role of antisense RNAs in cyanobacterial gene regulation”) von einer Nutzung beider Stränge der DNA-Doppelhelix. Sie beobachtete in dem Cyanobakterium Synechocystis, dass häufig nicht nur von einem Strang die Information für die Bildung eines Eiweißes abgelesen wird, sondern auch der parallel verlaufende Gegenstrang aktiv ist. Dadurch entsteht ein zweites RNA-Molekül mit umgekehrter Orientierung, eine so genannte antisense-RNA.

Ähnliche Beobachtungen sind in jüngster Zeit an höheren Organismen, darunter dem Menschen, gemacht worden. Für Bakterien gab es bisher jedoch nur vereinzelte Hinweise auf ein solches Geschehen, vor allem im Zusammenhang mit so genannten extrachromosomalen Elementen, das sind zum Beispiel Antibiotika-Resistenzen-tragende Plasmide oder auch Bakteriophagen, Viren, die Bakterien angreifen. Die Beobachtungen der Forschergruppe um Prof. Dr. Wolfgang R. Hess zeigen nun, dass solche antisense-RNAs auch bei Bakterien sehr häufig sein können und vermutlich aktiv in die Regulation der Erbinformation verstrickt sind. Damit zeigt sich, dass auch diese eigentlich recht einfach gebauten Organismen komplexer sind als bisher gedacht. Cyanobakterien sind in jüngster Zeit verstärkt in den Fokus der Wissenschaft geraten wegen ihres Potenzials zur Herstellung wünschenswerter Biomoleküle durch direkte Nutzung der Sonnenenergie (Photosynthese). Die mögliche Rolle einer großen Zahl solcher antisense-RNAs in Bakterien muss bei der Nutzung dieser Organismen berücksichtigt werden und kann auch in der Medizin zu neuen Konzepten in der Abwehr human-pathogener Bakterien führen.

Externer Link: www.uni-freiburg.de

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21.09.2009 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 18.09.2009

Biochemiker der TU München verlängern Wirkzeit pharmakologischer Substanzen

Viele Biopharmazeutika bestehen aus kleinen Proteinen, die rasch wieder aus dem Körper ausgeschieden werden. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) verbinden die kleinen Proteine mit einer Art molekularem Ballon, der sich aufbläht und dadurch die Halbwertszeit der Proteine im Körper verlängert. Die TUM-Ausgründung XL-protein GmbH hat begonnen, die neue Technologie mit Blockbuster-Potenzial weiterzuentwickeln.

Wer an chronischer Hepatitis B leidet, wird häufig mit dem Gewebshormon Interferon behandelt. Das Problem: Interferon ist ein sehr kleines Protein, deshalb wird es bereits nach kurzer Zeit wieder über die Niere ausgeschieden. Für den Patienten bedeutet das alle zwei Tage eine hoch dosierte Spritze, damit die Wirkung der Substanz nicht vorzeitig nachlässt.

Deutlich länger bleibt Interferon dagegen im Körper, wenn es chemisch mit einem synthetischen PEG-Molekül (Polyethylenglycol) gekoppelt ist. PEG ist eine Art Knäuel aus einem langkettigen Polymerfaden, das Wasser aufsaugt und sich dadurch aufbläht. Auf diese Weise wird das PEG-Molekül so groß, dass es nicht durch die feinen Poren der Niere passt – das angekoppelte Interferon wird daher länger im Blutkreislauf gehalten, und der Patient muss nur eine Spritze alle ein bis zwei Wochen erhalten.

Wissenschaftler der TU München um Prof. Arne Skerra vom Lehrstuhl für Biologische Chemie am Wissenschaftszentrum Weihenstephan haben jetzt mithilfe der Gentechnik einen Aminosäurefaden entwickelt, der sich ähnlich wie PEG verknäult und Wasser anlagert. Im Gegensatz zu vielen PEG-Verbindungen besteht jedoch nicht die Gefahr, dass sich dieses Anhängsel im Körper anreichert. Vielmehr wird es – über einen längeren Zeitraum – ausgeschieden oder biologisch abgebaut. Denn der Aminosäurefaden ist aus lediglich drei der 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren zusammengesetzt: Prolin, Alanin und Serin, kurz PAS.

Der Proteinwirkstoff Interferon, der ja seinerseits aus Aminosäuren aufgebaut ist, lässt sich dadurch auch auf einfache Weise in “PASylierter” Form gewinnen. In ersten Versuchen mit Tieren stellten die TUM-Wissenschaftler fest, dass ein PASyliertes Interferon eine um den Faktor 60 verlängerte Halbwertszeit im Blut aufweist, so dass damit tatsächlich verlängerte Dosierungsintervalle ermöglicht werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der vereinfachten biotechnologischen Herstellung, denn die DNA-Stücke, die die Informationen für den PAS-Aminosäurefaden beziehungsweise das Interferon tragen, werden einfach aneinandergehängt und dann zum Beispiel in ein Bakterium eingepflanzt. Das Bakterium produziert das PASylierte Interferon gleichsam am Stück, so dass anders als bei einer chemischen Kopplung von PEG mit Interferon wesentlich weniger Herstellungsschritte nötig sind. Skerra: „Dadurch werden die Produktionskosten erheblich sinken.“

PASylieren lassen sich prinzipiell alle kleinen Proteine, die bereits als Medikamente eingesetzt oder bei Pharmafirmen derzeit entwickelt werden, wie zum Beispiel Wachstumsfaktoren oder funktionelle Antikörperfragmente: ein riesiger Markt für die neue Technologie. Prof. Skerra hat deshalb zusammen mit seinen Mitarbeitern die Gründung einer neuen Biotech-Firma vorangetrieben, der XL-protein GmbH, die im Frühjahr ihre Geschäftstätigkeit aufgenommen hat. „Unsere Technologie hat das Potenzial dazu, Blockbuster-Medikamente einer neuen Generation hervorzubringen“, ist der TUM-Biochemiker überzeugt. Mehrere der neuen Wirkstoffe seien bereits im Stadium der fortgeschrittenen präklinischen Entwicklung.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

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