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Zwei hochkarätige Nachwuchsgruppen an Schnittstellen von Disziplinen

27.08.2002 - (idw) Universität Bayreuth

An der Universität Bayreuth haben jetzt zwei von der Volkswagen-Stiftung finanzierte, hochkrätige Nachwuchsgruppen ihre Arbeit begonnen, die an den Schnittstellen von Disziplinen arbeiten.


Die Biochemikerin Dr. Dagmar Klostermeier
Der Physiker Dr. Robert Magerle Bayreuth (UBT). Wissenschaft ist oftmals da besonder interessant, wo eigenständige Disziplinen aufeinander treffen oder sich überlappen. In Bayreuth wird diese fachübergreifende "Schnittstellenphilosophie" schon seit den Anfängen der Universität gepflegt, was etwa in stark nachgefragten Studiengängen wie etwa Geoökologie (Biologie, Chemie, Geowissenschaften) und Sportökonomie (Sportwissenschaft, Ökonomie, Rechtswissenschaft) zum Ausdruck kommt. Aber auch die Volkswagen-Stiftung setzt bei ihren Förderungen des wissenschaftlichen Nachwuchses an dieser Stelle an und unterstützt seit 1996 mit erheblichen Mitteln in ihrem Programm "Nachwuchsgruppen an Universitäten" junge, herausragend qualifizierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit erheblichen Mitteln. Der in Hannover beheimateten Stiftung geht es darum, den jungen Wissenschaftlern "vorwiegend auf neuen und zwischen den Disziplinen besiedelten Gebieten" fünf Jahre lang die Möglichkeit zu geben, eine mit Mitarbeiterstellen und Sachmitteln ausgestattete Arbeitsgruppe aufzubauen und selbstständig zu leiten.
Da pro Jahr nur 10-12 Nachwuchsgruppen gefördert werden, ist es eine Besonderheit, das kürzlich zwei von ihnen an der relativ kleinen Universität Bayreuth ihre Arbeit aufgenommen haben: Es handelt sich um die Gruppe der Biochemikerin Dr. Dagmar Klostermeier (31), die am Lehrstuhl Experimentalphysik IV von Professor Dr. Jürgen Köhler arbeitet, und um die Gruppe des Physikers Dr. Robert Magerle (37), die am Lehrstuhl Physikalische Chemie II von Professor Dr. Georg Krausch angesiedelt ist.
Nachwuchsgruppe Dr. Klostermeier
Zu einem besseren Verständnis molekularer Maschinen soll die Arbeit der Nachwuchsgruppe von Dr. Klostermeier führen, die den Titel "Konformationelle Dynamik im katalytischen Zyklus von RNA Helikasen untersucht mittels zeitaufgelöstem Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) und Einzelmolekül-FRET" führt. Knapp 1,3 Millionen Euro hat die Volkswagen-Stiftung für die Laufzeit bereitgestellt.
Worum geht es bei dem Projekt? Biologische Funktion erfordert Flexibilität. Proteine, die Maschinen der Zelle, müssen daher zum Ausüben ihrer lebenswichtigen Funktionen ihre Struktur ändern können. Diese verschiedenen Strukturen werden Konformere oder Konformationen genannt. Das Wechseln zwischen diesen Konformeren, die Konformationsänderung, wird in der Zelle durch spezifische Signale reguliert.
RNA-Helikasen katalysieren die Entwindung doppelsträngiger Ribonukleinsäuren (RNA) in wichtigen zellulären Prozessen, die RNA-Umstrukturierungen erfordern. Dies ist z.B. der Fall bei dem Kopieren der genetischen Information in die messenger-RNA, der sog. Transkription, oder bei der Übersetzung der messenger-RNA-Sequenz in die Aminosäuresequenz des codierten Proteins, der Translation. Die Energie für den Entwindungsprozeß wird vom zellulären Energieträger ATP geliefert. Die Bindung von ATP an die Helikase geht vermutlich mit einer Konformationsänderung einher, die der Helikase eine effiziente Entwindung der RNA erlaubt. Die Helikase kann das ATP spalten und sich damit in den Ausgangzustand zurückversetzen (abschalten).
In zeitaufgelösten Fluoreszenzresonanzenergietransfer-(FRET)-Experimenten können verschiedene Helikase-Konformere nicht nur identifiziert, sondern auch quantifiziert werden. Das Prinzip dieser Experimente beruht auf einer abstandsabhängigen Wechselwirkung zweier Farbstoffe, die chemisch an die Helikase angeknüpft sind. Der Abstand zwischen den Farbstoffen kann anhand des Lichts, das sie nach Anregung durch extrem kurze Laserlicht-Pulse aussenden, bestimmt werden. Damit fungieren diese Farbstoffe also als molekulares Lineal.
Jüngste Entwicklungen in der Fluoreszenzspektroskopie haben es ermöglicht, das ausgesandte Licht von einzelnen Molekülen zu detektieren. Damit können FRET-Experimente an einzelnen Molekülen durchgeführt werden, was dynamische Abstandsinformationen liefert. Im Unterschied zu Experimenten mit einer Vielzahl asynchron arbeitender Helikasen kann am einzelnen Helikase-Molekül die genaue zeitliche Abfolge der Konformationen wie in einem Film beobachtet werden.
Ziel des Projekts ist es, die Helikase-Dynamik mit der Entwindungsaktivität zu korrelieren. Damit soll geklärt werden, wie Helikasen die chemische Energie aus der ATP-Spaltung für die mechanische Arbeit des Entwindens von RNA-Helizes nutzen.
Nachwuchsgruppe Dr. Magerle
Die Nachwuchsgruppe von Dr. Robert Magerle, der im November vergangenen Jahres bereits mit dem Wissenschaftspreis des Bayreuther Universitätsvereins ausgezeichnet wurde, will die Abbildungsmöglichkeiten der Gefügestruktur eines Werkstoffes verbessern, um so dessen physikalische Eigenschaften wie etwa Härte und Festigkeit besser zu verstehen. Die Volkswagen-Stiftung fördert dieses Vorhaben mit 1,18 Millionen Euro.
Moderne Werkstoffe weisen oft Gefügestrukturen im Nano- (10-9, ein Milliardstel Meter) und Mikrometermaßstab (10-6, ein Millionstel Meter) auf, die sich mit den meisten der heute verfügbaren Mikroskopietechniken nur zweidimensional abbilden lassen. Dieses behindert viele Untersuchungen und erschwert Aussagen etwa über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Werkstoffe. Abhilfe könnte die so genannte Nanotomographie schaffen: ein neues Abbildungsverfahren, das auf der Rastersondenmikroskopie beruht, und das von Robert Magerle patentiert wurde.
Es handelt sich dabei um ein Volumenabbildungsverfahren mit extrem hoher Ortsauflösung. Eine Probe wird dabei schichtweise abgetragen und nach jedem Abtragschritt die freigelegte Probenoberfläche mit der so genannten Rastersondenmikroskopie abgebildet. Dabei werden sowohl die Oberflächentopographie als auch lokale Materialeigenschaften mit höchster Ortsauflösung erfasst. Man erhält dabei eine Reihe Schnittbilder mit nur wenigen Nanometern Zwischenabstand, aus der die dreidimensionale räumliche Struktur der Probe rekonstruiert werden kann.
Ziel der Nachwuchsgruppe von Dr. Magerle ist es nun, mit Hilfe dieser Nanotomographie eine Vielzahl physikalischer Eigenschaften von Werkstoffen abzubilden sowie eine hochauflösende Volumenabbildung und -charakterisierung zu etablieren. Die Bayreuther Forscher konzentrieren sich dabei zunächst auf die wichtige Materialklasse der polymeren Werkstoffe. Die Nachwuchsgruppe ist dabei in ein exzellentes Forschungsumfeld eingebettet, da Synthese, Verarbeitung, Eigenschaften und Anwendungen polymerer Materialien zentrales Forschungsthema vieler Wissenschaftlergruppen an der Universität Bayreuth sind.

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