BIONIK: verklebte Strukturen nachbauen

Münchner Physiker haben erstmals die Mechanik von Faserbündeln im Zellskelett bestimmt. Biologische Zellen verwenden ein im Grunde vergleichbares Konstruktionsprinzip wie Architekten beim Bau: Gebäude oder Bauwerke würden ohne Stützbalken an den richtigen Positionen sehr schnell ihre Stabilität und Statik einbüßen. Für die mechanische Stabilität der Zellform sorgt das Zytoskelett, ein aus verschiedenen Proteinen zusammengesetztes, außerordentlich flexibles, fadenförmiges Strukturgeflecht. Im Gegensatz zu architektonischen Konstruktionen verhalten sich diese sogenannten Filamente dynamisch, das heißt sie passen ihre mechanischen Eigenschaften der Umgebung an und treten nach Bedarf in Bündeln auf. Ein Forscherteam um Prof. Andreas Bausch von der TU München und Prof. Erwin Frey von der LMU München konnte am Beispiel des Zellskelettproteins Aktin erstmals die mechanischen Eigenschaften dieser Bündel näher bestimmen. Mit einem neuartigen mikroskopischen Messverfahren ermittelten sie deren thermische Bewegung von wenigen Nanometern und wiesen nach, dass die Stabilität der einzelnen Bündel von ihrer Länge wie auch von den vorhandenen Vernetzermolekülen abhängt - einer Art Klebstoff, der die einzelnen zellulären Balkenstrukturen zusammenhält. Die Vernetzermoleküle (und damit die Festigkeit des Klebstoffs zwischen den einzelnen Strukturen) verhalten sich auf diesen Längenskalen demnach entschieden flexibler als bislang angenommen. Dies wirkt sich auf das Zytoskelett aus, das somit wesentlich anpassungsfähiger an seine Umgebung ist. Aktin ist eines der am häufigsten auftretenden Proteine in der Zelle. Es bestimmt nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts, sondern ist auch maßgeblich bei der Zellteilung und Zellmigration beteiligt. Die parallele Anlagerung einzelner Filamente in Aktinbündel findet sich vor allem in Nerven- oder Hörzellen. In der Nanotechnologie lassen sich die neuen Erkenntnisse der Münchener Physiker verwerten, etwa bei der Herstellung neuer funktionaler Nanomaterialien. Nanoröhren könnten entsprechend den Anforderungen an die gewünschten Flexibilität gebündelt und damit die mechanischen Eigenschaften neuartiger Verbundstoffe oder mechanische bzw. biologische Sensorbauelemente genauestens zugeschnitten werden.

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BIONIK: "Siliziumgras" hält Mikrobauteile zusammen

Mike Stubenrauch und seine Kollegen vom Bionik-Kompetenz-Netz (Biokon) der TU Ilmenau haben einen winzigen Klettverschluss für Halbleiterbausteine entwickelt. Dazu rauen sie die Oberfläche des Halbleitermaterials Silizium so lange auf, bis eine rasenartige Struktur aus Siliziumnadeln entsteht. Gegeneinandergedrückt verkeilen sich die Nadeln ineinander und geben den Bauteilen festen Halt. Mit dem Klettverschlussverfahren können Hersteller auch exakter als bisher gegeneinander positionieren, berichtet Stubenrauch. Nach Angaben des Instituts für Mikro- und Nanotechnologien der TU hat ein solches Verbindungssystem vor allem den Vorteil, dass die Einzelteile bis zu fünf Mal zusammengefügt und wieder gelöst werden können. Zudem werde ein Verrutschen der Bauteile ausgeschlossen, und die Hersteller könnten so die immer dünner und empfindlicher werdenden Mikrochips besser und einfacher positionieren. Für die Entstehung der neuartigen Struktur wird das Silizium so lange mit geladenen Teilchen bombardiert, bis lange, spitze Nadeln entstehen. Gegeneinander gedrückt, verkeilen sich die Nadeln ineinander. Aufgrund der Ähnlichkeit zu einer Rasenstruktur sprechen die Wissenschaftler auch von Siliziumgras. Auf einem Quadratmillimeter Chipfläche stehen dabei bis zu vier Millionen Nadeln, die 20 Mikrometer lang und nur einen halben Mikrometer breit sind. Im Experiment konnten die Ilmenauer die zuverlässige Funktionsfähigkeit der neuen Technik nachweisen. Da die Verbindungsstellen flüssigkeitsdicht sind und zudem leicht gasdicht gemacht werden können, hoffen die Forscher neben der Chipproduktion auf weitere Einsatzmöglichkeiten in Biologie, Chemie und Medizin. So haben sie bereits winzige Behältnisse für chemische oder biologische Reaktionen über eine Nadelstruktur verschlossen. Im Inneren solcher Behälter können beispielsweise Zellen kultiviert werden. Da der Deckel wieder abgenommen werden kann, ist der direkte Zugang zur Zellkultur möglich.

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BIOWAFFEN: Milzbranderreger schnell erkennen

Prof. Peter H. Seeberger vom Laboratorium für Organische Chemie der ETH Zürich und seine Gruppe haben einen umkomplizierten und sehr spezifischen Ansatz zur Detektion von Anthrax-Sporen entwickelt: Monoklonale Antikörper erkennen den spezifischen Zucker auf der Sporenoberfläche. Sporen des gefürchteten Bacillus anthracis wurden bereits als Biowaffe gegen die Zivilbevölkerung eingesetzt. Einmal eingeatmet, führt der Milzbrand-Erreger fast immer zum Tode, wenn die Opfer nicht innerhalb von 24 bis 48 Stunden behandelt werden. Eine rasche zuverlässige Diagnostik ist deshalb lebenswichtig. Der neue immunologische Ansatz entstand zusammen mit dem Schweizer Tropeninstitut und der Universität Bern. Als Angriffspunkt dient ein Vierfachzucker, ein aus vier Zuckerbausteinen bestehendes Kohlenhydrat auf der Oberfläche von Anthrax-Sporen. Um Antikörper herzustellen, braucht man zunächst das Molekül in ausreichender Menge. Da der Zucker nicht vom tödlichen Bakterium gewonnen werden kann, wählten Prof. Seeberger und Postdoc Daniel Werz eine Alternative: Sie bauten den Vierfachzucker im Labor chemisch nach, knüpften ihn an ein Trägereiweiß und injizierten Mäusen dieses Konjugat. Aus einem der so immunisierten Tiere konnten die Forscher monoklonale Antikörper gewinnen, die ganz spezifisch an Anthrax-Sporen binden. Auf Sporen anderer Bakterien, die bei Menschen häufiger vorkommen und ungefährlich sind, reagieren die Antikörper dagegen nicht. "Unser neuer Antikörper wird als Basis für eine hochempfindliche Anthrax-Diagnostik dienen und zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beitragen", zeigt sich Seeberger überzeugt.

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BIOLOGIE: Polyketid als neuer Krebsschalter?

Auf dem Chromosom der Escherichia-coli-Bakterien liegen die Gene einer neu entdeckten bioaktiven Substanz. Diese kann die Zellteilung von Wirtszellen unterbinden. Für die industrielle Produktion von Medikamenten könnte sich die neue Erkenntnis als interessant erweisen. Entdeckt haben den neuen Naturstoff Wissenschaftler um Prof. Dr. Jörg Hacker vom Institut für Molekulare Infektionsbiologie der Universität Würzburg. Er gehört zur Klasse der Polyketide. Dass die Darmbewohner, Escherichia-coli-Bakterien nämlich, zur Herstellung dieser Stoffgruppe in der Lage sind, war bislang unbekannt. Diese Bakterien sind friedliche Bewohner des Darmes, treten aber auch in Varianten auf, die den Menschen in Gefahr bringen - etwa weil sie Blutvergiftungen auslösen oder die Harnwege infizieren. Das neu entdeckte Polyketid findet sich bei jeder der drei genannten Coli-Varianten. Wirkt es auf die Zellen höherer Organismen ein, lässt es deren DNA auseinanderbrechen. Das behindert die Zellteilung. "Diesen Befund kann man in zwei Richtungen diskutieren", so Hacker. Zum einen lasse sich darin eine Schädigung des Erbguts und der Zelle sehen, verbunden mit einem höheren Krebsrisiko. Zum anderen könne durch das Zerbrechen der DNA auch die Aktivität von Zellen gebremst werden: Möglicherweise halten die Coli-Bakterien mit Hilfe des Polyketids die Immunabwehr in Schach und sichern so ihr Dasein im Darm. Und das ist letzten Endes auch für den Menschen wichtig. "Ohne Darmbakterien wären wir alle nicht lebensfähig", sagt Hacker. Zudem sei es denkbar, dass das Polyketid auch den Vermehrungsdrang von Krebszellen unterdrücken könnte.

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BILDGEBUNG: sehen, wie die Tomate trinkt

Forscher Wissenschaftlern am Berliner Hahn-Meitner-Institut ist es erstmals gelungen, in deutlichen Bildern zu beobachten, wie schnell eine Pflanze Wasser aufnimmt. In einer Reihe von Aufnahmen, die einen Tomatensetzling zeigen, kann man verfolgen, wie das Wasser im Stiel aufsteigt. Dazu haben die Wissenschaftler um Dr. Nikolay Kardjilov, an dessen neuer Experimentieranlage im Hahn-Meitner-Institut die Untersuchungen durchgeführt wurden, dem Setzling ab einem bestimmten Zeitpunkt nur noch sogenanntes schweres Wasser gegeben, das sich in den Bildern markant vom gewöhnlichen Wasser abhebt. Der Kontrast entsteht beim Durchleuchten der Pflanze mit Neutronen, die auf beide Wasserarten verschieden reagieren. "In dem Experiment nutzen wir aus, dass Neutronen verschiedene Isotope desselben Elements unterscheiden können." Für die Pflanze ist es dabei fast bedeutungslos, mit welchem Wasser sie gegossen wird. "Die Wasseraufnahme ist ein wichtiges Maß dafür, wie gut es einer Pflanze geht. Die Ergebnisse könnten helfen, die Wachstumsbedingungen besser an die Bedürfnisse der Pflanzen anzupassen und so landwirtschaftliche Erträge zu steigern" erklärt Frau Dr. Uzuki Matsushima von der Landwirtschaftsfakultät der japanischen Iwate University, in deren Auftrag die Untersuchungen durchgeführt worden sind. Für die Untersuchungen wurde das Verfahren der Neutronenradiographie eingesetzt, mit der zweidimensionale Durchleuchtungsbilder verschiedener Objekte erzeugt werden können. Zusätzlich liefert die verwandte Neutronentomographie dreidimensionale Bilder. Gegenüber Röntgenstrahlen sind Neutronen vor allem dann im Vorteil, wenn es darum geht auch leichte Elemente wie Wasserstoff zu zeigen und Metalle gut zu durchdringen.

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BIOLOGIE: Wer den Faden kennt, kann ihn nachbauen

Erste Ergebnisse von Strukturanalysen des Spinnenfadens einer Gruppe um Prof. Dr. Tim Salditt, Experimentalphysiker an der Universität Göttingen, zeigen einen erstaunlich homogenen Aufbau. Es gibt keine Hinweise auf eine Kern-Mantel-Struktur noch auf große Kristallite, wie in der Literatur an manchen Stellen behauptet. Salditt und seine Mitarbeiterin Anja Glisovic setzen für ihre Untersuchungen die Röntgenmikroskopie ein. Die beiden erhoffen sich von einem Verständnis des Aufbaus Hinweise auf mögliche Nachbauten der Natur. Obwohl Spinnenseide im Wesentlichen aus nur zwei Proteinen aufgebaut ist, ist deren Struktur trotz intensiver Forschungsergebnisse nur ansatzweise bekannt. Wie die Analysen zeigen, bestehen Spinnenfäden zu rund 20 bis 30 Prozent aus winzigen Kristallen, eben den sogenannten Kristalliten. Dabei fällt bei den Röntgendiagrammen auf, dass die Reflexe entsprechend der geringen Größe schwach ausgeprägt sind und auf einen breiten Winkelbereich „ausgeschmiert“ sind. Die Verteilung der Kristallite in der Matrix, ihre Abmessung und ihre Orientierung sind wichtige Größen für die Erklärung der Materialeigenschaften. So fanden die Göttinger Wissenschaftler heraus, dass die Reflexe der Kristallite auf eine bevorzugte Orientierung in Richtung auf die Faserachse schließen lassen. Weitere Untersuchungen, zusammen mit Partnern aus der Theoretischen Physik um Prof. Dr. Annette Zippelius, sollen jetzt ein quantitatives Modell der Spinnenseide auf Basis der Physik von Polymer-Netzwerken liefern. Wer die Natur nachbauen will, hat einiges vor sich: Der Rahmenfaden eines Spinnennetzes mit einer Zugfestigkeit im Bereich von einer Milliarde Pascal (Giga-Pascal) reißt bei einem Durchmesser von einem Millionstel Meter unter einer Last von bis zu 80 Milligramm. Hochgerechnet auf ein Seil von einem Zentimeter Durchmesser dürfte es also theoretisch erst bei einer Zugkraft von acht Tonnen zerreißen. Spinnenseide ist zudem bio-kompatibel, lässt sich also medizinisch einsetzen.

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BIOLOGIE: Impfstoffe aus Pflanzen züchten

Auch mit Pflanzen lassen sich wirksame Impfstoffe in genügend großer Menge produzieren. Das haben Forscher der Universitäten Würzburg, Heidelberg, Freiburg und Clermont-Ferrand am Beispiel der bakteriellen Infektionskrankheit Borreliose gezeigt. Impfstoffe sind oft Proteine. Meist werden sie mit großem Aufwand in Bakterien oder Zellkulturen hergestellt. Dass sie sich prinzipiell auch in gentechnisch veränderten Pflanzen produzieren lassen, ist für Forscher nicht neu. "Allerdings lieferten die bislang getesteten Pflanzen viel zu geringe Mengen", sagt Apotheker Heribert Warzecha, der am Lehrstuhl für Pharmazeutische Biologie der Uni Würzburg bei Professor Martin Müller forscht. Anders sieht es nun bei dem Impfstoff gegen die Borreliose aus. Der besteht aus einem Protein (OspA), das auf der Oberfläche der krankheitserregenden Bakterien vorkommt und mit Fettsäure-Ketten bestückt ist. Warzecha hat den Bauplan für das Protein - in Form von DNA - bei Tabakpflanzen in die Chloroplasten integriert. Das sind winzige grüne Partikel in den Zellen. Sie besitzen eigenes Erbgut und sind vor allem für die Photosynthese zuständig. Diese kleinen Fabriken produzieren jetzt nicht nur wie geplant das Protein, sondern versehen es auch gleich noch mit den nötigen Fettsäuren - das ist immens wichtig, weil das Protein nur dann als Impfstoff wirkt. Die Würzburger Tabakpflanzen sind außerdem besonders produktiv. Das liegt daran, dass die Konstruktionsanleitung für den Impfstoff nicht wie üblich in den Zellkern, sondern in die Chloroplasten eingebaut wurde - und davon enthält jede grüne Pflanzenzelle rund hundert Stück. Die Forscher extrahierten den Impfstoff dann aus den Tabakpflanzen und schickten ihn in gereinigter Form zum Team von Professor Markus Simon nach Freiburg. Dort wurde der Stoff Mäusen injiziert. Deren Immunsystem sprang darauf hin so effektiv an, dass die Tiere vor der Borreliose geschützt wären. Als nächstes steht das Feintuning an: Die Tabakpflanzen sollen dazu gebracht werden, möglichst viel Impfstoff zu produzieren. Mit einem gärtnerischen Trick wollen die Würzburger außerdem den Nikotingehalt der Tabakblätter senken, damit man diese den Freiburger Mäusen füttern kann. So soll klar werden, ob der Impfschutz auch auf oralem Weg zu erreichen ist.

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Fax -6182
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und emmerich@zv.uni-wuerzburg.de

BIOLOGIE: Blattschäden leuchten lassen

Wenn Pflanzen mit Pilzen oder anderen Schädlingen infiziert sind, sieht der Landwirt das oft an Flecken auf den Blättern. Biologen von der Universität Würzburg können einen Befall sogar schon dann erkennen, wenn er mit bloßem Auge noch gar nicht zu sehen ist. So wird die Hemmung der Photosynthese aufgedeckt, noch bevor sich der Schädling in der Pflanze ausgebreitet hat. Das wird möglich, weil das Blattgrün der Pflanzen, das Chlorophyll, nicht das gesamte Sonnenlicht für die Photosynthese ausnutzen kann. Einen kleinen Teil davon strahlt es als rotes Fluoreszenz-Licht wieder ab. "Wenn man intakte Blätter mit blauem Licht beleuchtet und durch einen roten Filter betrachtet, kann man diese Fluoreszenz sichtbar machen", erklärt Professor Thomas Roitsch. Und man kann die Fluoreszenz messen und feststellen, ob die Photosynthese normal oder schlechter funktioniert. Hierfür wenden die Würzburger Forscher eine neue Methode an, die Chlorophyll-Fluoreszenz-Bildgebung. Schon geringste Änderungen der Photosyntheserate lassen sich damit entdecken. Mit einer digitalen Schwarz-Weiß-Kamera werden Fluoreszenz-Bilder von Blättern oder ganzen Pflanzen aufgenommen. "Dann berechnet ein Computer die Lichtausnutzung der Blätter und weitere Parameter. Das Ergebnis wird in so genannten Falschfarben dargestellt", sagt der Professor. Vorteil der Methode: Das untersuchte Pflanzenorgan wird durch die Messung nicht geschädigt. So kann der zeitliche Verlauf einer Infektion an ein und demselben Objekt verfolgt werden. Thomas Roitsch und Susanne Berger vom Lehrstuhl für Pharmazeutische Biologie arbeiten bei diesem Projekt mit Tomaten und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), deren Erbgut vollständig bekannt ist. Als Krankheitserreger verwenden sie das Bakterium Pseudomonas syringae, das bei Pflanzen den weit verbreiteten Bakterienbrand verursacht, und den Pilz Botrytis cinerea, Erreger des bei Gärtnern und Landwirten gefürchteten Grauschimmels.

Tel. 0931-888-6170
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und roitsch@biozentrum.uni-wuerzburg.de

MEDIZIN: Gen-Schalter für den Blutkrebs

Neue Erkenntnisse über die Entstehungsmechanismen von Blutkrebs (Leukämien) haben jetzt Wissenschaftler des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) Berlin-Buch gewonnen. Sie konnten eine neuartige Funktion eines Genschalters aufklären, der die Blutzellbildung steuert, und wenn er mutiert ist, das Ablesen genetischer Information verhindert. Das kann zur Entstehung von Leukämie führen. Eine entscheidende Rolle spielt dabei das Myeloblastose Protein (c-Myb), das die Vermehrung und Reifung von Blutzellen nicht nur durch Bindung an die DNA steuert, sondern, und das ist neu, auch deren Verpackung in bestimmte Protein-Strukturen, dem sogenannten Chromatin. Wie die Gruppe am MDC, Dr. Xianming Mo, Dr. Elisabeth Kowenz-Leutz, Dr. Yves Laumonnier, Hong Xu und Prof. Achim Leutz, jetzt zum ersten Mal zeigen konnte, kontrolliert der normale zelluläre Myb Transkriptionsfaktor das Ablesen genetischer Information nicht nur durch seine Bindung an Genorte, sondern er wechselwirkt auch mit den Proteinen, Histone genannt, die die DNA zu Chromatin verpacken, wie das Garn auf eine Garnrolle. Dadurch moduliert der Transkriptionsfaktor die Verpackungsdichte der Chromatinstruktur, die in entscheidendem Mass die Ablesbarkeit der Gene mitbeeinflusst. Mutiertes und damit Leukämie induzierendes Myb hat jedoch diese Fähigkeit zur Veränderung der Chromatinstruktur verloren. Gleichzeitig schaltet es die Gene aus, die für die Zellreifung zuständig sind. Die Folge davon ist: die Blutvorläuferzellen vermehren sich unkontrolliert, bleiben unreif und werden zu Leukämiezellen, die ihre zukünftigen Aufgaben "vergessen" haben. In der Petrischale kann diese Blockade der Zellreifung, wie die Forscher fanden, durch Zugabe einer chemischen Substanz, dem Trichostatin A (TSA), wieder aufgehoben werden. TSA blockiert bestimmte Enzyme, die Histon Deacetylasen (HDAC), die wiederum die Verpackungseigenschaften der Histone und somit die Ablesbarkeit der Gene modifiziert. Krebsforscher testen TSA bisher im Reagenzglas und im Tierversuch.

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Fax - 38 33
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