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Enzyme bei der Arbeit: Aufspaltung widerspenstiger Cellulose

TU Graz-Forschende beobachten Enzyme bei der Aufspaltung von Cellulose und wollen damit unter anderem die Produktion von Biokraftstoffen unterstützen. Ihre Ergebnisse publizieren sie nun in Nature Communications.

Kraftstoffe aus Biomasse werden immer wichtiger. Abgesehen von Biomethan können sie aber noch nicht effizient, kostengünstig und nachhaltig produziert werden, der technische und finanzielle Aufwand ist derzeit noch zu hoch. «Mitschuld» daran trägt Cellulose, ein Polysaccharid und Pflanzenbestandteil, der nicht wasserlöslich und damit schwer zu verarbeiten ist.

Oxidative Enzyme

Im Normalfall verwenden Bioraffinerien – so wie es auch in natürlichen Abbauprozessen geschieht – einen Mix aus hydrolytisch aktiven, also Wasser benötigenden Enzymen für den Abbau von pflanzlichen Rohstoffen. Vor einiger Zeit entdeckte man oxidative Enzyme, die unter Zuhilfenahme von Sauerstoff arbeiten und gemeinsam mit den hydrolytischen Enzymen Cellulose bereits wesentlich besser spalten können. Wie diese oxidativen Enzyme – genannt LPMOs (lytic polysaccharide monooxygenase) – aber genau arbeiten, war nicht bekannt. An genau diesem Punkt setzten die Forschenden der TU Graz an.

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Eine stabile Hülle für künstliche Zellen

Wissenschaftler entwickeln zellähnliche Lipidvesikel, die sie mit natürlichen Zellproteinen ausstatten können

Jede Zelle braucht eine Hülle. Eine Membran aus Fettmolekülen trennt das Zellinnere von der Umgebung und schafft dort ein für das Überleben notwendiges Milieu. Auch für die Entwicklung künstlicher Zellen ist eine chemisch und mechanisch stabile Hülle eine wesentliche Voraussetzung. Forscher der Max-Planck-Gesellschaft sowie der Universitäten in Heidelberg, Jena, Magdeburg und Bordeaux haben nun im Rahmen des MaxSynBio-Netzwerks mit einer neuen Methode Partikel aus unterschiedlichen Fettsäuren erzeugt, die sich ähnlich wie natürliche Zellmembranen verhalten. Die Wissenschaftler konnten die Vesikel zudem mit natürlichen Zellproteinen befüllen und in die Lipidschicht integrieren. Die Lipidpartikel sind ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung eines Modellsystems, mit dem sich die Abläufe in natürlichen Zellen untersuchen lassen. Sie könnten eines Tages auch ein Bestandteil künstlicher Zellen sein.

Auf den ersten Blick erscheint die Membran natürlicher Zellen als eine vergleichsweise einfach aufgebaute Doppelschicht aus Fettsäuremolekülen. Tatsächlich besitzt die Zellmembran jedoch Eigenschaften, die sich bislang kaum im Labor nachahmen lassen. So besitzen künstliche Zellen zwar eine Hülle aus Fettmolekülen, diese ist jedoch bislang zu instabil und undurchlässig. Wissenschaftler können solche sogenannten Protozellen daher nicht mit Molekülen befüllen, die für Zellvorgänge wichtig sind.
Mit einem Trick haben die Max-Planck-Wissenschaftler zusammen mit ihren Kollegen nun Lipidvesikel erzeugt, die künftig die Hülle für künstliche Zellen bilden könnten. Die Forscher nutzen dafür Tröpfchen aus langkettigen organischen Molekülen, sogenannten amphiphilen Polymeren, die wie Tenside wirken. Die Tröpfchen bestehen aus einer äußeren Schicht sogenannter perfluorierter Polyether und einer innen liegenden Schicht aus wasserlöslichem Polyethylenglykol, an die Gold-Nanopartikel angelagert sind. Dank der unterschiedlichen Löslichkeit der inneren und äußeren Schicht schwimmen die Tröpfchen in einem Öl-haltigem Medium, enthalten im Innern aber eine wässrige Lösung. Mithilfe eines Mikro-Injektionssystems können die Forscher nun winzige Lipidvesikel in die Polymer-Tröpfchen injizieren. Durch die Zugabe von Magnesium lösen sich die Vesikel im Innern auf und verschmelzen zu einer einzigen Lipidschicht an der Innenseite der Tröpfchen.

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Neue Endometriose-Behandlung?

Wieso verbessert sich Endometriose in der Schwangerschaft? Wissenschaftler des Inselspitals, HCERM Rom und BioIncept haben in der Antwort auf diese Frage neues Potenzial zur Behandlung und Prävention von Endometriose entdeckt.

Während der Schwangerschaft wird eine Endometriose häufig besser. Denn ein Molekül (PreImplantation Factor: PIF), welches der Embryo produziert, lindert die Entzündungsherde der Krankheit. Der Effekt lässt sich auch mit einer synthetischen Variante von PIF reproduzieren, wie ein wissenschaftliches Team aus Bern und Rom sowie BioIncept (New York) am 13. September 2017 in PLOS One zeigen konnte. Die Studienergebnisse lassen auf die Entwicklung neuer Medikamente hoffen, welche Endometriose behandeln oder sogar vermeiden könnten.

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Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der Krankheit. Unter den verschiedenen Formen von Lungenkrebs ist das sogenannte nicht-kleinzellige Lungenkarzinom das häufigste. Die Therapiemöglichkeiten konnten dank genetischer Analysen bereits verbessert werden. So können beispielsweise bei einer spezifischen genetischen Mutation des Tumors Medikamente gezielt eingesetzt werden. Ein anderer vielversprechender Ansatz ist das «Wiederscharfmachen» des Immunsystems mittels Antikörpern. Diese schwächen die Abwehr des Tumors und ermöglichen es den körpereigenen Immunzellen wieder, die Tumorzellen zu bekämpfen. Trotz dieser Fortschritte ist nach wie vor zu wenig bekannt darüber, wie sich ein Lungenkrebs-Tumor entwickelt.

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Wirkstoffe aus der Natur

Schneller zu neuen Wirkstoffen durch Genomik, Bioinformatik und chemische Analytik

Viele wichtige Wirkstoffe wie Antibiotika, Immunsuppressiva oder Mittel gegen Krebs stammen aus dem Stoffwechsel von Mikroorganismen. Diese produzieren oft ganze Stoffgemische, deren natürliche Funktion bisher kaum bekannt ist. Auf der Suche nach natürlichen Vorbildern für neue Arzneistoffe haben Biotechnologen und Bioinformatiker der Goethe-Universität nun zusammen die Stoffgemische zweier verwandter Bakterienarten untersucht.

«Wir vermuten, dass die Produktion von Naturstoffen für das Leben von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen wichtige Funktionen besitzen. Wenn wir diese verstehen würden, gelänge es vermutlich häufiger, eine verwandte Anwendung für diese Substanzen zu finden. So käme man auch zu neuartigen Medikamenten», erläutert Prof. Helge Bode, Merck Stiftungsprofessur für Molekulare Biotechnologie an der Goethe-Universität, den Forschungsansatz.

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