Ultradünne Supergitter aus Goldnanopartikeln für die Nanophotonik

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Matthias Karg am Institut für Physikalische Chemie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) entstehen ultradünne, hochgeordnete Schichten von Hydrogelkugeln, in denen Gold- oder Silberpartikel eingeschlossen sind. Diese Strukturen sind für Anwendungen in der Optoelektronik – der Informations- und Kommunikationstechnik auf Grundlage von Licht – und Nanophotonik interessant. Ergebnisse zu einem wichtigen Schritt in Richtung sogenannter „plasmonischer Nanolaser“ veröffentlichen die Forscher in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces.

Auf einen Glasträger übertragene ultradünne Schicht aus Hydrogelkügelchen mit Goldpartikeln. (Fotos: HHU / Christoph Kawan)

Herstellung der Schichtstruktur, (v.l.): Zunächst wird eine Lösung von der Hydrogelkügelchen mit den darin enthaltenen Goldpartikeln vorsichtig auf eine Wasseroberfläche aufgebracht. Diese bildet blitzschnell eine ultradünne, schimmernde Schicht, die anschließend mit einem Glasträger abgehoben werden kann.

Die Arbeitsgruppe „Kolloide und Nanooptik“ um Prof. Dr. Matthias Karg am Institut für Physikalische Chemie hat eine einfache und zugleich präzise Technik entwickelt, um hochgeordnete Teilchenschichten zu entwickeln. Sie nutzen winzig kleine, weiche und deformierbare Polymerkugeln mit einer hydrogelartigen Struktur. Hydrogele sind wassergequollene dreidimensionale Netzwerke. Solche Strukturen kennt man zum Beispiel von Superabsorbern in Babywindeln, die in der Lage sind, große Mengen an Wasser zu binden.

Innerhalb dieser Kügelchen befinden sich winzige, nur wenige Nanometer große Gold- beziehungsweise Silberpartikel, die Kargs Team selber an der HHU aus Salzen der Metalle in einem Reduktionsverfahren herstellt. „Wir können die Größe der Goldpartikel sehr genau einstellen, denn die Hydrogelhüllen sind für gelöste Metallsalze durchlässig, wodurch ein nachträgliches Überwachsen der Goldkerne möglich wird.“ Den Aufbau dieser Kern-Schale Partikel kann man in etwa mit einer Kirsche vergleichen. Hier ist ein harter Kern vom weichen Fruchtfleisch umgeben. Die Partikel aus dem Labor sind allerdings etwa einhunderttausendmal kleiner.

Aus einer verdünnten Lösung dieser Hydrogelkügelchen können die Düsseldorfer dann dünne Schichten herstellen. Sie geben die Kügelchen auf eine Wasseroberfläche, an der sich von alleine eine hochgeordnete und bunt schillernde Schicht ausbildet. Diese Schicht heben sie mithilfe von Glasträgern von der Wasseroberfläche ab. Durch diesen Übertrag auf das Glas schillert nun der gesamte Glasträgern.

Schaut man sich diese Schicht unter dem Elektronenmikroskop an, sieht man ein regelmäßiges Sechseckmuster kleiner Punkte. „Dies sind die Goldpartikel in ihren Hüllen“, erläutert Doktorandin Kirsten Volk, „und wir sehen, dass diese in einer einzigen, hochgeordneten Schicht liegen.“ Die Goldpartikel sorgen für die Farbigkeit der Schicht: An ihnen wird sichtbares Licht bestimmter Wellenlängen reflektiert, welches interferiert und so unter verschiedenen Blickwinkeln einen unterschiedlichen Farbeindruck gibt.

„Diese dünnen Schichten sind für die Optoelektronik – also die Datenleitung und -verarbeitung mit Hilfe von Licht – sehr spannend. Mit ihnen kann es außerdem möglich werden, miniaturisierte Laser zu bauen“, so Prof. Karg. Solche Nanolaser sind nur Nanometer groß und stellen damit eine Schlüsseltechnologie im Bereich der Nanophotonik dar.

In einer jetzt in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlichten Studie haben die Düsseldorfer Forscher eine wichtige Hürde auf dem Weg zu solchen Nanolasern genommen. Sie konnten die Goldpartikel durch von außen eingestrahltes Licht zu kollektiven Schwingungen anregen. Es wird also nicht jedes Goldteilchen individuell angeregt, sondern alle Teilchen schwingen gemeinsam. Diese gemeinsame Schwingung ist die Grundvoraussetzung für den Aufbau von Lasern. Das besondere an den veröffentlichen Forschungsergebnissen ist, dass die Teilchenschichten nicht nur sehr einfach und auf großen Flächen aufgebaut werden können, sondern auch besonders dünn sind.

Für optoelektronische Anwendungen und Nanolaser müssen die Schwingungen in den dünnen Schichten weiter verstärkt werden.  Prof. Karg: „Als Nächstes werden wir versuchen, die Anregung durch eine gezielte Dotierung weiter zu verstärken. Langfristig könnte es so auch gelingen elektrisch betreibbare Nanolaser zu realisieren.“

Originalpublikation

Kirsten Volk, Joseph P. S. Fitzgerald, and Matthias Karg, In-Plane Surface Lattice and Higher Order Resonances in Self-Assembled Plasmonic Monolayers: From Substrate-Supported to Free-Standing Thin Films, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019 11 (17), 16096-16106

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Besondere Regionen für biotechno. Anwendungen in Bakterium gefunden

Veröffentlichung in Nature Scientific Reports

Forscher vom Institut für Molekulare Enzymtechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Forschungszentrum Jülich fanden im Genom des Bakteriums Pseudomonas putida besonders geeignete Orte für eine hohe und stabile Expression von Biosynthesegenen. Dabei identifizierten sie bestimmte Regionen im Genom, die mit dem RNA-Stoffwechsel verknüpft sind. Diese eignen sich besonders für die Aktivierung von Biosynthesewegen, über die wertvolle Naturstoffe wie Antibiotika im Bakterium produziert werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Bakterielle Naturstoffe sind eine sehr wertvolle Quelle für Medikamente wie Antibiotika oder Krebstherapeutika. Um diese Stoffe verfügbar zu machen, suchen Biotechnologen nach Wegen, sie möglichst effektiv in harmlosen Bakterien zu produzieren.

Dazu sind eine stabile Integration der entsprechenden Biosynthesegene und deren starke Expression im Wirtsbakterium nötig. Bei der Expression wird die genetische Information abgelesen und in das Genprodukt umgesetzt. In diesem Fall sind die Genprodukte Enzyme, die wiederum einen Biosyntheseprozess von einem gewünschten Naturstoff ermöglichen. Für ihre Suche nutzten die Forscher einen ‚Reporter-Gencluster‘, der ihnen geeignete genomische Positionen anzeigen konnte: Ein 21 Kilobasen langer Gencluster aus dem Bakterium Serratia marcescens, der für die Biosynthese des roten und bioaktiven Naturstoffs Prodigiosin verantwortlich ist. Dieser wurde willkürlich im Genom von Pseudomonas putida integriert.

Durch die rote Farbe des Naturstoffs konnten die Forscher leicht diejenigen P. putida-Zellen isolieren, bei denen der Einbau ins Genom und die Expression der Gene besonders erfolgreich waren. Entgegen der Erwartung, dass verschiedene Positionen identifiziert würden, fanden die Wissenschaftler, dass der Gencluster ausschließlich in der sogenannten rDNA eingebaut wurde. Diese trägt die Informationen für die ribosomale RNA, ein wichtiges Element der Proteinbiosynthese, welche für die Produktion der Proteine in der Zelle zuständig ist. Die gefundenen genomischen Bereiche zeichnen sich durch eine besonders starke Expression aus, damit viel ribosomale RNA für den Zellstoffwechsel produziert werden kann. Davon können offenbar auch die an dieser Stelle eingebauten fremden Gene profitieren. Da die rDNA in mehreren Kopien vorkommt, ist ein Einbau von zusätzlichen Genclustern nicht tödlich, und die Zellen zeigten keine Einbußen an Vitalität. Darüber hinaus zeichneten sich die rekombinanten Stämme durch eine ausgesprochene Stabilität über Jahre aus, ohne einen Verlust der Produktionsleistung. Die Ergebnisse der Studie und die Untersuchung der zugrunde liegenden molekularen Phänomene können Prozesse ermöglichen, die als Schlüssel für eine effektive biotechnologische Wertstoffproduktion gelten, und somit zur effektiven Produktion anderer Stoffe neben Prodigiosin beitragen.

Originalpublikation

Pseudomonas putida rDNA is a favored site for the expression of biosynthetic genes, by Domröse A, Hage-Hülsmann J, Thies S, Weihmann R, Kruse L, Otto M, Wierckx N, Jaeger KE, Drepper T, Loeschcke A, Scientific Reports, May 2019

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Millionenförderung für die HHU-Pflanzenforschung

Züchtung von Kartoffeln durch den Einsatz neuer Methoden beschleunigen

Die Kartoffel ist weltweit die drittwichtigste Kulturpflanze. Sie gezielt durch Züchtung zu verbessern ist aber aufgrund verschiedener Faktoren schwierig. Im Projekt „PotatoTools“ wollen Biologen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Dr. Delphine Van Inghelandt und Prof. Dr. Benjamin Stich Werkzeuge entwickeln, um gezielt bessere Kartoffelsorten zu züchten. Das am Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen sowie an Züchtungsunternehmen angesiedelte und von der HHU koordinierte Projekt hat, inklusive Eigenanteilen, ein Gesamtvolumen von 2,7 Millionen Euro.

Der genetische Unterschied zwischen verschiedenen Kartoffelsorten kann größer sein als der zwischen Mensch und Schimpanse. Das spiegelt sich auch in der hohen Variabilität des Erscheinungsbildes verschiedener Sorten wider. (Foto: HHU / V. Prigge)

Verschiedene Kartoffelsorten auf dem Versuchsfeld. Beim Projekt PotatoTools geht es darum, Werkzeuge zu entwickeln, mittels derer die Ausprägung komplex vererbter Merkmale verschiedener Sorten vorhergesagt werden können. (Foto: HHU / V. Prigge)

Prof. Dr. Benjamin Stich und Dr. Delphine Van Inghelandt vom Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen der HHU koordinieren das Projekt PotatoTools. (Fotos: HHU / Privat)

Von Solanum tuberosum, der Kartoffel, sind weltweit mehrere Tausend unterschiedliche Sorten bekannt. Doch diese Vielfalt täuscht darüber hinweg, dass sie aufgrund verschiedener genetischer und biologischer Faktoren schwer durch klassische Züchtung verbessert werden kann. Dies liegt zum einen daran, dass die Kulturkartoffel tetraploid ist, ihr Erbgut also jeweils vier Chromosomensätze enthält; zum Vergleich: Der Mensch ist diploid und besitzt einen doppelten Chromosomensatz. Der Nachteil besteht bei der Kartoffel darin, dass an jedem Genort vier verschiedene Versionen, sog. Allele, vorliegen können. Dies macht es erheblich schwieriger, die leistungsfähigste Kombination von Allelen zu erstellen. Außerdem haben Kartoffeln einen – im Gegensatz zu anderen wichtigen Kulturpflanzen wie Mais, Weizen oder Gerste – geringen Vermehrungskoeffizienten, also eine geringere Zahl von Knollen, die pro Pflanze geerntet werden kann. Dies verlangsamt den Züchtungsfortschritt, da ökonomisch interessante Merkmale erst gegen Ende eines Züchtungszyklus erfasst werden können.

Aufgrund der Bedeutung der Kartoffel sowohl für die Ernährung als auch für die Wirtschaft – Kartoffeln dienen unter anderem der Stärkeproduktion – ist es notwendig, spezielle neue Sorten zu züchten, die zum Beispiel resistent gegen Pflanzenkrankheiten sind, die man wandelnden Anbau- und Umweltbedingungen anpasst oder die einen höheren Nährstoffgehalt haben.

Das HHU-Team um Prof. Stich koordiniert das mit Bundesmitteln geförderte Projekt PotatoTools, bei dem Werkzeuge für die „Genomische Selektion“ (GS) bei Kartoffeln erforscht werden sollen. Mit den im Projekt entwickelten Methoden soll es möglich werden, das genetische Potential zukünftiger Sorten unter Einbezug von tausenden im Erbgut verteilten molekularen Markern vorherzusagen.

Um mittels GS gewünschte Eigenschaften erfolgreich selektieren zu können, fehlen bislang wichtige genomische Ressourcen. So gibt es noch keine Referenzgenomsequenz der Kulturkartoffel. Auch gibt es keine Möglichkeiten, um unterschiedliche Genotypen (der Genotyp umfasst die gesamte genetische Ausstattung eines individuellen Lebewesens) von Kartoffeln im Hochdurchsatzverfahren mittels sogenannter SNP-Arrays zu charakterisieren. Ebenfalls ist noch unklar, wie der Ablauf von Kartoffelzüchtungsprogrammen verändert werden muss, um die Vorteile der GS optimal zu nutzen. Alle diese offenen Fragen will das Projekt PotatoTools angehen. Am Ende sollen allgemein anwendbare Werkzeuge und Methoden entstehen.

Im Projekt arbeiten Forschungsgruppen des Instituts für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen der HHU und Unternehmen mit. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft fördert es über drei Jahre durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe. Das gesamte Projektvolumen beträgt rund 2,7 Millionen Euro, worin die Eigenanteile der beteiligten Unternehmen berücksichtigt sind.

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HHU fördert Forschungsprojekte mit Bürgerbeteiligung

– bis 16. September Antrag stellen

Die Heinrich-Heine-Universität versteht sich als Bürgeruniversität. Sie sucht aktiv den Austausch zwischen Wissenschaft und Gesellschaft und stellt dafür Mittel für Forschung, Lehre sowie Wissens- und Erkenntnistransfer bereit. Zur Finanzierung von Projekten mit Bürgerbeteiligung in der Forschung schreibt die Universität Düsseldorf aktuell einen internen Förderfonds mit einem Gesamtvolumen von 140.000 Euro aus. Das themenoffene Programm beinhaltet zwei Förderlinien: Zum einen werden Forschungsprojekte mit partizipativem Ansatz unter aktiver Bürgerbeteiligung finanziert, zum anderen Drittmittelprojekte. Bis zum 16. September können promovierte Forschende aller Fakultäten der HHU einen Antrag bei der Stabsstelle Bürgeruniversität einreichen.

Ziel des Programms ist es, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der HHU dabei zu unterstützen, in ihren Forschungsprojekten die Beteiligung von Bürgerinnen und Bürgern sowie Vertreterinnen und Vertretern der organisierten Zivilgesellschaft auszubauen. Das kann von der gemeinsamen Erarbeitung eines Projektantrags (Co-Design, Multi-Stakeholder-Ansatz) über die Beteiligung bei der Durchführung von Projekten (Citizen-Science) bis hin zur Überführung in die Anwendung reichen. Die gewählten Ansätze können sich je nach Forschungsfeld und der Ausrichtung des speziellen Forschungsprojekts unterscheiden, sollen aber echten Mehrwert für die Forschung generieren.

Darüber hinaus soll der Förderfonds dazu beitragen, der Bevölkerung wissenschaftliche Prozesse und die Arbeit von Forschenden näher zu bringen und auf diese Weise Barrieren zwischen Wissenschaft und Gesellschaft abzubauen.

undefinedWeiterführende Informationen zur Ausschreibung

Neuer HHU-Förderfonds beinhaltet zwei Linien

Das Programm hat zwei Förderlinien. In Förderlinie 1 können Personal- und Sachmittel mit einer max. Fördersumme über 60.000 Euro pro Projekt und einer Laufzeit von max. zwei Jahren gefördert werden. In der Förderlinie 2 geht es um die Anschubfinanzierung von Drittmittelanträgen (max. 15.000 Euro pro Projekt für max. 12 Monate), bei denen in der Antragsphase Bürgerinnen und Bürger bei der Entwicklung der gemeinsamen Forschungsfrage mit einbezogen werden sollen. Dies kann z. B. bei Anträgen beim BMBF oder im EU-Forschungsrahmenprogramm die Erfolgsausschichten steigern.

Informationsveranstaltung am 10. Juli

Zur Unterstützung bei der Antragstellung findet für alle Interessenten eine Informationsveranstaltung am 10. Juli 2019 von 10:00 bis 13:00 Uhr im Vortragsraum der ULB (Gebäude 24.41) statt. Expertinnen und Experten stellen die Grundsätze und Herangehensweisen bei Forschungsprojekten mit Bürgerbeteiligung sowie im Bereich der „Citizen Science“ vor. Sie erläutern anhand zahlreicher Praxisbeispiele die Bandbreite von Beteiligungsformaten von der gemeinsamen Erarbeitung eines Projektantrags über die Beteiligung bei der Durchführung von Projekten bis hin zur Überführung in die Anwendung. Der interne Förderfonds zur Finanzierung von Forschungsprojekten mit Bürgerbeteiligung wird vorgestellt.

undefinedZum Programm am 10. Juli 2019

Einreichungsfrist für Anträge ist 16. September 2019.

Kontakt:

Isabel Strauß
Stabsstelle Bürgeruniversität
Isabel.strauss(at)hhu.de

Tel.: 0211 81-10989

Quelle & weitere Informationen unter: www.uni-duesseldorf.de

Vor Stammzelltransplantation: Innovatives Verfahren zur Behandlung schwerer Virusinfektionen

Die Transplantation blutbildender Stammzellzellen eröffnet heutzutage zahlreichen Kindern und Jugendlichen, die unter einer malignen hämatologischen Erkrankung oder einer angeborenen Störungen der Blutbildung oder des Immunsystem leiden, eine realistische Heilungschance. Schwere Infektionen, insbesondere solche mit Erregern, die sich auf eine antimikrobielle Therapie refraktär zeigen, stellen ein hohes Risiko für die nachfolgende Transplantation dar und galten daher über viele Jahre als Kontraindikation für die Durchführung einer Stammzelltransplantation.

Das Team des Bereichs Pädiatrische Stammzelltherapie an der Klinik für Kinder-Onkologie, -Hämatologie und Klinische Immunologie (Leiter Prof. Roland Meisel) berichtet in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Clinical Infectious Diseases über einen neuartigen Therapieansatz zur erfolgreichen Behandlung solcher Infektionen (https://academic.oup.com/cid/article-abstract/68/8/1406/5144168). Das Therapieverfahren wurde in enger Kooperation mit Fachkollegen von der Kinderklinik und dem Institut für Transfusionsmedizin der Medizinischen Hochschule Hannover (Prof. Britta Maecker-Kolhoff, Prof. Britta Eiz-Vesper) sowie der Universitätskinderklinik Tübingen (Prof. Peter Lang) entwickelt und in der klinischen Praxis umgesetzt.

Durch die gezielte Auswahl eines Stammzellspenders mit einer hohen Frequenz gegen Adenoviren gerichteter Immunzellen sowie eine neuartige Transplantations-Plattform, bei der durch gezielte Aufarbeitung des Transplantates jede immunsuppressive Behandlung nach der Transplantation verzichtbar wird, konnten bereits wenige Tage nach der eigentlich Stammzelltransplantation einem unter einer therapie-refraktären Adenovirus-Infektion leidenden Kind aus dem Blut des Stammzellspenders aufgereinigte und spezifisch gegen das Adenovirus gerichtete Immunzellen übertragen werden. Innerhalb weniger Tage kam es zu einer drastischen Abfall der Viruslast sowie dem Verschwinden der klinischen Infektionssymptome, die Virusinfektion heilte innerhalb eines Monats ohne Folgeschäden aus.

Das in der Arbeit beschriebenen, innovative Therapiekonzept könnte in Zukunft auch solchen Patienten, die unter einer schweren Infektion vor einer geplanten Transplantation leiden, die Option einer kurativen Übertragung blutbildender Stammzellen eröffnen und wird daher im Bereich Pädiatrische Stammzelltherapie der Klinik für Kinder-Onkologie, -Hämatologie und Klinische Immunologie (Direktor Prof. Arndt Borkhardt) weiter intensiv untersucht.

Kontakt:

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