Infektionsbiologen der FAU entdecken therapeutisches Potenzial von Wurmparasiten

Erlanger Infektionsbiologen haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie unser Körper besser vor Allergien und Autoimmunreaktionen geschützt werden kann: Eine Arbeitsgruppe um David Vöhringer, Professor für Infektionsabwehr und Toleranz an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und Leiter der Infektionsbiologischen Abteilung am Mikrobiologischen Institut des Universitätsklinikums Erlangen, konnte einen positiven Effekt von Wurmparasiten auf bestimmte Formen von T-Helferzellen nachweisen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler vor Kurzem in dem renommierten Journal of Immunology. Ziel der Erlanger Forscher ist es nun herauszufinden, wie die Würmer das Immunsystem beeinflussen, um neue Ansätze zur Entwicklung wirksamer Medikamente zu liefern.

Das Immunsystem schützt uns vor einer Vielzahl von Krankheitserregern. Dabei spielen T-Helferzellen eine zentrale Rolle. Sie sind an der Aktivierung von Fresszellen und Bildung von Antikörpern beteiligt, die in den Körper eindringende Bakterien und Viren bekämpfen. Normalerweise also greifen T-Helferzellen körpereigenes Gewebe nicht an – bei Autoimmun-Erkrankungen wie beispielsweise Multipler Sklerose oder Typ-I-Diabetes liegt allerdings ein Verlust dieser Toleranz vor: Hier entwickeln sich T-Helferzellen des Typs Th1 und Th17, die beide eine starke Entzündungsreaktion auslösen.

Interessanterweise treten Autoimmunkrankheiten in Ländern mit geringen Hygienestandards seltener auf. „Eine Hypothese besagt, dass eine Infektion mit Wurmparasiten, die in diesen Ländern häufig vorkommen, vor ungewollten Reaktionen des Immunsystems wie Allergie und Autoimmunität schützen kann“, erklärt Prof. Vöhringer. Wie das genau geschieht, darüber ist bisher jedoch wenig bekannt.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Vöhringer hat nun neue Erkenntnisse für einen möglichen Mechanismus gewonnen. Die Forscher konnten zeigen, dass bei Mäusen, die mit dem Wurmparasiten Nippostrongylus brasiliensis infiziert wurden, die für Autoimmunprozesse verantwortlichen Th1- und Th17-Zellen zu Th2-Zellen umprogrammiert werden können. Th2-Zellen schütten Botenstoffe aus, die einen hemmenden Einfluss auf Th1- oder Th17-vermittelte Immunreaktionen haben. „Damit ist uns erstmals ein konkreter Nachweis dafür gelungen, dass Wurmparasiten einen positiven Effekt auf die Umprogrammierung von T-Zellen und damit auf unser Immunsystem haben“, sagt Prof. Vöhringer.

Die Erlanger Infektionsforscher untersuchen nun, wie diese unerwartete Flexibilität von T-Zellen künftig therapeutisch genutzt werden kann. Dazu ist es zunächst notwendig, die verantwortlichen Komponenten der Parasiten zu isolieren. Mittelfristiges Ziel ist es, die Pharmaindustrie bei der Entwicklung wirksamer Medikamente gegen Autoimmun-Krankheiten zu unterstützen.

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Performance & Trend

Der TecDAX der Deutschen Börse AG legte im Januar 2012 um circa 9% zu. Auf Monatsbasis nach zwei negativen Monaten somit nun ein positiver Monat.

Ausblick Februar 2012

HVs & Zahlen

o Adva Optical:

23.02.2012 Veröffentlichung der geprüften 2011 IFRS Ergebnisse und des Geschäftsberichts

23.02.2012 Bilanzpressekonferenz und Telefonkonferenz

o BB Biotech:

23.02.2012 Jahresbericht per 31. Dezember 2011

o Carl Zeiss Meditec:

14.02.2012 Q1-Veröffentlichung

14.02.2012 Telefonkonferenz zum 1. Quartal

o Dialog Semiconductor:

22.02.2012 Preliminary results for 2011

o Jenoptik:

01.02.2012 Vorläufige Zahlen zum Geschäftsjahr 2011

Forschende des Biozentrums der Universität Basel haben einen über die gesamte biologische Evolution konservierten regulatorischen Mechanismus aufgeklärt, der die bisher weitgehend unerforschte Enzymfamilie der Fic-Proteine in einen inaktiven Grundzustand zwingt. Die Gruppen von Prof. Christoph Dehio und Prof. Tilman Schirmer konnten zeigen, dass durch die Veränderung einer einzigen Aminosäure diese Hemmung der Enzymaktivität aufgehoben wird. Die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature» publizierten Ergebnisse erlauben es zukünftig, die potenziell tödliche Funktion der Fic-Proteine in Bakterien und höheren Lebewesen aufzuklären.

Fic-Proteine kommen in den meisten Lebensformen vom einfachen Bakterium bis zum Menschen vor. Erst wenige Vertreter dieser Proteinfamilie mit etwa 3000 Mitgliedern wurden bisher untersucht. Es handelt sich dabei um Enzyme, die andere Proteine durch das Anheften einer Adenosinmonophosphat-Gruppe (AMP), Teil des wichtigen Energieträgers ATP, chemisch verändern. Diese als AMPylierung bezeichnete Reaktion modifiziert gezielt die Funktion der Zielproteine.

Am besten untersucht ist die Funktion der Fic-Proteine von krankheitserregenden Bakterien, die in die Wirtszelle eingeschleust werden, um dort zelluläre Signalproteine zum Vorteil des Krankheitserregers zu verändern. Die Mehrheit der Fic-Proteine entfaltet aber vermutlich ihre Wirkung unmittelbar in der Zelle, in der sie produziert werden. Warum aber bisher nur für wenige Vertreter dieser Fic-Proteine eine biochemische Funktion nachgewiesen werden konnte, war bisher unverstanden. Den Grund hierfür haben nun die Forschungsgruppen des Infektionsbiologen Prof. Christoph Dehio und des Strukturbiologen Prof. Tilman Schirmer gefunden.

Das Zentrum der Enzymaktivität von Fic-Proteinen ist blockiert

Die Forscher konnten zeigen, dass ein Aminosäurerest (Glutamat-Finger) in das aktive Zentrum von Fic-Proteinen hineinragt. Dieser verhindert eine produktive Bindung des ATP und erklärt den inaktiven Grundzustand dieser Enzyme. Erstaunlicherweise ist es dabei unerheblich, ob der hemmende Aminosäurerest Teil des Fic-Proteins selbst oder aber Teil eines separaten Proteins (genannt Antitoxin) ist. Erst wenn dieser Glutamat-Finger durch Veränderung des Erbguts zurechtgestutzt wird oder das ganze Antitoxin entfernt wird, erwacht die Aktivität des Enzyms – mit teilweise drastischen Konsequenzen für die betroffenen Zellen. So stellen bakterielle Zellen das Wachstum ein, während menschliche Zellen sogar sterben können.

Interdisziplinärer Forschungserfolg

Dieser Durchbruch gelang den beiden Forschungsgruppen durch die Kombination von Methoden aus der Mikrobiologie, Zellbiologie, Strukturbiologie und Bioinformatik. Atomare räumliche Strukturen von Fic-Proteinen wurden mittels Röntgenkristallografie durch die Schirmer-Gruppe an der Swiss Light Source (Villigen PSI) bestimmt und liessen die detaillierte Geometrie des aktiven Zentrums des Enzyms mit dem hemmenden Glutamat-Finger erkennen. Die Gruppe von Dehio wiederum konnte durch Kombination von Funktionsstudien und Mutagenese die hemmende Rolle dieses Glutamat-Fingers nachweisen und durch umfangreiche Proteinsequenzvergleiche die allgemeine Bedeutung der Entdeckung aufzeigen.

Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse sind nunmehr die meisten Vertreter der umfangreichen Fic-Proteinfamilie einer funktionellen Untersuchung zugänglich geworden. Weiterhin können Wissenschaftler mit diesem Wissen künftig detailliert den molekularen Mechanismus der Aktivierung von Fic-Proteinen unter natürlichen Bedingungen untersuchen.

Originalbeitrag:
Philipp Engel, Arnaud Goepfert, Frédéric V. Stanger, Alexander Harms, Alexander Schmidt, Tilman Schirmer & Christoph Dehio
Adenylylation control by intra- or intermolecular active-site obstruction in Fic proteins
Nature, published online 22 January 2012 | doi: 10.1038/nature10729

Externer Link: www.unibas.ch

Informatiker der JKU Linz entwickeln Methode zur Bearbeitung von Lichtfeldern

Zweidimensionale digitale Bildaufnahmen könnten bald der Vergangenheit angehören. Zukünftig werden Bildinformationen in Form von Lichtfeldern aufgenommen und dargestellt. Damit werden die Abbildungen dreidimensional, Fokus und Perspektive lassen sich nachträglich verändern. Wissenschafter des Instituts für Computergrafik der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz haben nun ein revolutionäres Verfahren entwickelt, welches das Strecken und Stauchen von Lichtfeldern ermöglicht. Aufnahmen können so bequem auf eine beliebige Größe und ein gewünschtes Seitenverhältnis angepasst werden – ohne dass wichtige Inhalte unnatürlich verzerrt werden.

Wer mit einer herkömmlichen Digitalkamera fotografiert, erhält lediglich ein zweidimensionales Bild. Neuartige Lichtfeldkameras nutzen hingegen spezielle optische Elemente, wie z.B. Mikrolinsenfelder, um Richtungsinformationen des Lichtes zu erhalten – zu den zweidimensionalen Bildkoordinaten kommen dadurch zweidimensionale Richtungskoordinaten hinzu. Daraus entstehen vierdimensionalen Abbildungen, die man Lichtfelder nennt.

Dreidimensional ohne 3D-Brille

Der Vorteil von Lichtfeldern gegenüber herkömmlichen Bildern besteht darin, dass sie viel mehr Informationen enthalten. Daraus lassen sich zum Beispiel im Nachhinein Fokus und Perspektive einer Aufnahme am Computer ändern, oder Tiefeninformationen und Abbildungen mit sehr hoher Tiefenschärfe errechnen. Lichtfelder haben insgesamt das Potential, digitale Abbildungen zu revolutionieren. Das gilt nicht nur für bildgebende Systeme und die Verarbeitung digitaler Bildinformationen, sondern auch für Displaysysteme. Für zukünftige Displaytechnologien ermöglichen Lichtfelder die Darstellung dreidimensionaler Inhalte für beliebig viele Betrachter und ohne Hilfsmittel wie 3D-Brillen.

Lichtfeldaufnahmen lösen digitale Bildaufnahmen ab

Aber besonders in der Fotografie bedeuten moderne Lichtfeldkameras einen klaren Entwicklungssprung. Digitale Bildaufnahmen könnten bald von Lichtfeldaufnahmen abgelöst werden. Eine zentrale Herausforderung liegt hier aber noch in der Verarbeitung: Lichtfelder sollten genauso digital nachbearbeitet werden können, wie es heute für zweidimensionale Abbildungen, also für Bilder und Videos, möglich ist. Dort werden die Abbildungen in dem Seitenverhältnis der Kamera aufgenommen und später auf verschiedenen Displays mit dementsprechend unterschiedlichen Seitenverhältnissen dargestellt. Die Bildinhalte sollten dabei so auf die neuen Seitenverhältnisse angepasst werden, dass kein Bildinhalt abgeschnitten oder unnatürlich gestreckt bzw. gestaucht wird. Algorithmen, die diese Skalierung in Abhängigkeit des eigentlichen Bildinhaltes durchführen nennt man Retargeting. Diese aus der digitalen Bildverarbeitung und der Digitalfotografie bekannte Technik kann aber oft nicht ohne weiteres auf Lichtfelder angewendet werden.

Methode zur Bearbeitung von Lichtfeldern

Hier schaffen die Wissenschafter am Institut für Computergrafik der JKU unter der Leitung von Prof. Oliver Bimber Abhilfe: Sie haben Softwarealgorithmen entwickelt, die es ermöglichen, Lichtfelder entsprechend zu analysieren und zu bearbeiten. Zur im Mai 2012 stattfindenden Fachtagung Eurographics (Cagliari, Italien) und im internationalen Journal Computer Graphics Forum präsentieren sie erstmals ein Verfahren, welches das nichtlineare Strecken und Stauchen von Lichtfeldern ermöglicht. Dabei können Aufnahmen aus einer Lichtfeldkamera bequem auf eine beliebige Größe und ein gewünschtes Seitenverhältnis angepasst werden – ohne dass wichtige Inhalte unnatürlich verzerrt werden. Die JKU-Forscher stellen damit das weltweit erste Retargetingverfahren für Lichtfelder vor. (Manfred Rathmoser)

Externer Link: www.jku.at

Quantencomputer mit Quantenkryptographie vereinigen ForscherInnen des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Sie zeigen in der aktuellen Ausgabe von “Science”, dass Quanteneffekte absolut sicheres Cloud Computing ermöglichen. In einem Experiment gelang es, einen Quantencomputer so zu konstruieren, dass alle Ergebnisse der Daten und Rechnungen dem Computer selbst verborgen blieben.

Quantencomputer haben gegenüber klassischen Computern einen bedeutenden Vorteil: schnellere Rechnungen, die auf Quanteneffekten beruhen. Aufgrund Ihrer Komplexität existieren sie bisher nur als Grundlagenexperimente wie im Labor der Fakultät für Physik der Universität Wien. Daher ist es naheliegend, dass diese Technik zukünftig zunächst nur in wenigen spezialisierten Rechenzentren zur Verfügung stehen wird – ähnlich wie bei heutigen Großrechnern.

Auslagerung in die “Rechnerwolke”

Diese Strategie folgt dem aktuellen Trend des Cloud Computing, bei dem IT-Leistungen werden in die “Rechnerwolke” ausgelagert werden. Nutzer könnten von außerhalb Anfragen an einen Quantencomputer stellen und Quantenrechnungen durchführen. Das neue Cloud Computing hat gegenüber derzeitigen Lösungen einen entscheidenden Vorteil, der nur durch Quanteneffekte erreicht werden kann: Es ist absolut sicher.

Code oder Telefonbuch?

Wiener ForscherInnen haben in Kooperation mit internationalen Forschungsinstituten erstmals diese absolute Sicherheit der Daten in einem Grundlagenexperiment realisiert. Dabei führt ein Quantencomputer Rechnungen durch, kann aber selbst nicht herausfinden, welche es sind. “Der Quantenrechner kann beispielsweise nicht unterscheiden, ob er gerade einen Code entschlüsselt, oder einen Eintrag in einem Telefonbuch sucht”, erklärt Stefanie Barz, Hauptautorin der soeben in “Science” veröffentlichten Studie.

“Blind” errechnet

Dies könnte in Zukunft folgendermaßen funktionieren: Ein Nutzer präpariert Qubits – die kleinsten Einheiten des Quantencomputers – in einem nur ihm bekannten Zustand und sendet diese zum Quantencomputer. Dieser verschränkt die Qubits nach einem bestimmten Schema. Die Quantenrechnungen werden nun durch Messungen realisiert. Dazu schickt der Nutzer verschiedene Messanweisungen an den Quantencomputer.

Diese Anweisungen sind an den Zustand der Qubits angepasst und ergeben nur einen Sinn, wenn auch der Zustand der Qubits bekannt ist. Da der Quantencomputer diesen jedoch nicht kennt, sind für ihn die Rechnungen eine unzusammenhängende Abfolge an Operationen. Daher kann er zu keinem Zeitpunkt Rückschlüsse ziehen, welche Rechnung er gerade durchführt – er rechnet “blind”. Am Ende der Rechnung werden Ergebnisse an den Nutzer zurückgesendet. “Der Nutzer kann als einziger die Ergebnisse interpretieren und nutzen, da nur er die Ausgangszustände der Qubits kennt”, erklärt Barz.

Beim Wiener Experiment wurden einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Qubits verwendet. Deren Polarisation, die Schwingungsebene des Lichts, ist die Grundlage für das photonische Qubit, und Photonen sind perfekt geeignet, weil sie ideale Informationsträger sind und über weite Distanzen gesendet werden können.
 
Internationale Forschungskooperation

Das Projekt ist eine internationale Koperation von ForscherInnen des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien, des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der University of Edinburgh, des Institute for Quantum Computing (University of Waterloo), des Centre for Quantum Technologies (National University of Singapore) und dem University College Dublin.

Publikation:
Demonstration of Blind Quantum Computing. Stefanie Barz, Elham Kashefi, Anne Broadbent, Joseph Fitzsimons, Anton Zeilinger, Philip Walther
DOI: 10.1126/science.1214707

Externer Link: www.univie.ac.at