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Merckle-Forschungspreis 1999

12.11.1999 - (idw) Universität Ulm

In nanometrischen und molekularen Dimensionen
Merckle-Forschungspreis 1999

Am 15. November 1999 wird in der Universität Ulm zum 18. Mal der von der Firma Merckle GmbH, Blaubeuren, gestiftete und mit 40.000 DM dotierte Merckle-Forschungspreis vergeben. In den Preis teilen sich vier Empfänger: Prof. Dr. Wolfgang Arendt, Leiter der Abteilung Angewandte Analysis, Dr. Sabine Hild, Abteilung Experimentelle Physik, Prof. Dr. Dr. Andreas Podbielski, Abteilung Medizinische Mikrobiologie und Hygiene, Drs. Susanne und Frank Gansauge, Abteilung Allgemeine Chirurgie.

Gesetz der Veränderung

Die Diffusion einer wasserlöslichen Substanz ist ein zeitlicher Prozeß, der durch eine Gleichung beschrieben wird. Derselbe Gleichungstyp beschreibt auch die Wärmeausbreitung in einem Körper und spielt jüngstens sogar eine Rolle in der Finanzmathematik: gemeint sind Evolutionsgleichungen, Forschungsgebiet von Prof. Dr. Wolfgang Arendt, Leiter der Abteilung Angewandte Analysis der Universität Ulm.

Allgemein geht es dabei um Gesetze, die eine augenblickliche zeitliche Veränderung beschreiben. Zu diesen Gesetzen gehört ein mathematischer Begriff des Spektrums, der in vielen Fällen mit dem physikalischen Spektrum übereinstimmt. Typischerweise kann man zeigen, daß für jeden Anfangszustand eine Lösung existiert, die die weitere Entwicklung des betreffenden Systems für alle Zeiten festlegt. Der Haken: es ist im allgemeinen unmöglich, eine Formel für diese Lösungen zu finden. Dennoch möchte der Analytiker Eigenschaften der Lösungen kennenlernen, insbesondere deren Verhalten nach langer Zeit. Arendt und seine Mitarbeiter haben dafür neue Methoden entwickelt, beruhend auf der Laplacetransformation, einem Verfahren, das zeitabhängige in zeitunabhängige Probleme übersetzt und sie damit mathematisch handhabbarer macht. Auf diesem Weg entdeckten die Forscher unter anderem, daß das mathematische Spektrum zeigt, ob das System einen Gleichgewichtszustand erreicht oder nicht.

Die zweite Aufgabe des Analytikers geht in die umgekehrte Richtung: Kennt man die Lösungen (etwa durch Messungen), so möchte man das zugrunde liegende Gesetz oder spezifische in ihm enthaltene Größen bestimmen. Man spricht von inversen Problemen. Ein berühmtes Beispiel ist die in einem mathematischen Artikel von 1966 formulierte Frage: "Can you hear the shape of a drum?" Sie spielt darauf an, daß der Klang einer Trommel oder Membran durch die Obertöne bestimmt wird. Läßt sich also aus diesen Obertönen die Form der Trommel ablesen? Erst 1992 wurde gezeigt, daß dies nicht möglich ist: es wurden zwei gleichklingende Membranen gefunden, die nicht kongruent sind. Arendt hat im vergangenen Jahr eine andere Variante des Problems aufgeklärt: falls bei zwei Heizplatten die Wärmeausbreitung gleich ist (d.h. falls die Lösungen der Wärmeleitungsgleichung einander entsprechen), dann stimmen, so bewies er, beide Platten einschließlich der Randbedingungen (durch die man z. B. ausdrückt, daß die Platten isoliert sind), überein.

Nanometerweise ertastet

Synthetische Polymere kommen zunehmend auch in der Medizin zum Einsatz, z. B. als Füllungen in Zähnen, als Membranen bei der Dialyse, als Nahtmaterial in der Chirurgie, als künstliche Haut oder als Implantate (für Knochen, Gelenke oder Organe). Die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten stellt besondere Anforderungen an die Materialeigenschaften. Anders als bei niedermolekularen Materialien kann das mechanische Verhalten der Polymeren nicht aus ihrer molekularen Struktur vorhergesagt werden. Es wird sowohl durch den chemischen Aufbau der Kette als auch durch die daraus resultierende Überstruktur bestimmt und kann durch die Herstellungsbedingungen des Werkstücks, z. B. Temperatur oder Verstreckgeschwindigkeit, zusätzlich beeinflußt werden. Für die Entwicklung neuer Materialien ist deshalb die detaillierte Kenntnis der molekularen Überstrukturen und deren Änderung unter mechanischer Belastung notwendig.

Für ihre diesbezüglichen Untersuchungen bediente sich Dr. rer. nat. Sabine Hild der Rasterkraftmikroskopie: mit einer feinen Spitze, die an einem federnden Balken (Cantilever) befestigt ist, wird die Probe zeilenweise abgetastet und das resultierende Höhenbild aufgezeichnet. Die Verwendung von Techniken, bei denen die Spitze nicht mehr ständig mit der Oberfläche in Kontakt steht (Tapping oder Pulsed Force Mode), erlaubt darüber hinaus die Abbildung von empfindlichen, weichen Oberflächen. Kombiniert man ein Rasterkraftmikroskop mit einer Verstreckapparatur, so ist es möglich, die Veränderungen von Polymeren bei Deformation zu verfolgen.

In den sogenannten "Kraft-Abstands-Kurven" wird die Auslenkung des Cantilever in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg der Spitze, die senkrecht zur Oberfläche bewegt wird, aufgezeichnet. Aus der Steigung des Bereichs, in dem die Spitze mit der Oberfläche in Kontakt ist, kann deren lokale Steifigkeit ermittelt werden: je härter die Oberfläche, desto größer die gemessene Steigung. Wird unter Anwendung des in Ulm entwickelten Pulsed Force Mode zusätzlich bei konstanter Auslenkung des Cantilevers ein Topographiebild aufgenommen, erhalten die Forscher gleichzeitig Informationen über Struktur und mechanische Eigenschaften der Probenoberfläche. So fanden sie beispielsweise heraus, daß die lokale Steifigkeit von Naturkautschuk beim Verstrecken durch die Orientierung von Ketten zunimmt.

Soziale Bakterien

Bakterien sind in gewisser Weise soziale Lebewesen. Vor allem Genetik und Molekularbiologie haben gezeigt, daß die Mikroorganismen genetische Informationen austauschen und mittels Botenstoffen miteinander kommunizieren und auf diese Weise kollektive Verhaltensstrategien verwirklichen können, mit denen sie auf den physikalischen und chemischen Zustand ihrer Umgebung reagieren. Sie stimmen so zum Beispiel die Produktion der aggressiven bzw. toxischen Substanzen (Virulenzfaktoren) ab, auf denen ihre pathogene Qualität beruht. Steuernde Impulse gehen dabei u.a. von der Populationsdichte der Bakterien im Wirtsgewebe aus, die von den Mikroorganismen "wahrgenommen" wird.

"Quorum Sensing" nennen die Fachleute diese Fähigkeit. Der ihr zugrunde liegende Informationsaustausch erfolgt durch Moleküle, deren Herkunft und Menge von den Bakterien realisiert wird und so ihr Verhalten bestimmen kann. Prof. Dr. Dr. Andreas Podbielski und Arbeitsgruppe befassen sich mit Identifikation, Produktion und Wahrnehmung dieser Signalmoleküle. Als Modellbakterium haben sie Streptococcus pyogenes gewählt, üblicherweise als Gruppe-A-Streptokokken bezeichnet, die für eitrige Mandel- und Hautinfektionen verantwortlich sind. Erst kürzlich ist es Podbielski gelungen, ein kleines, sehr schwefelhaltiges Peptid zu identifizieren, das als Signalmolekül zwischen diesen Bakterien vermittelt - das erste, das bei dieser Spezies gefunden wurde.

Die praktische Nutzanwendung liegt auf der Hand: ein Konkurrenzmolekül zu ermitteln, das als Antikommunikativum den Nachrichtenverkehr zwischen den Bakterien stört, damit ihre Fähigkeit zur Anpassung an die Umgebungsbedingungen aufhebt und sie in der Folge für die körpereigenen Abwehrkräfte leicht angreifbar macht. Podbielski möchte so zur Entwicklung einer Gruppe antiinfektiver Substanzen beitragen, die nicht im Sinne der herkömmlichen Antibiotika wirken und deshalb auch die nützlichen, für die Gesundheit wichtigen Bakterien zum Beispiel im Darm und auf den Schleimhäuten unberührt lassen.

Krebszellteilung unterdrücken

Die molekularbiologischen Vorgänge bei Krankheitsprozessen ziehen schon längere Zeit das Interesse der medizinischen Forschung auf sich. In der Abteilung Allgemeine Chirurgie (Ärztlicher Direktor: Prof. Dr. Hans Günter Beger) geht eine Arbeitsgruppe Molekulare Onkologie unter der Leitung von Dr. rer. nat. Susanne Gansauge und Dr. med. Frank Gansauge seit 1992 diesen Fragen beim Pankreaskarzinom nach. Mit molekularbiologischen Analysen genetischer und immunologischer Veränderungen beim Krebs der Bauchspeicheldrüse haben die Forscher nach Möglichkeiten gesucht, die Prognose des Karzinoms und seine Bereitschaft, auf Chemotherapie anzusprechen, voraussagbar zu machen. Dabei zeigte sich, daß die prognostische Potenz der beobachteten Veränderungen nur sehr gering ist. Auch im Fall der Früherkennung von Pankreaskarzinomen, einem weiteren Schwerpunkt der Arbeitsgruppe, ließen die molekularbiologischen Ansätze allenfalls geringe Vorteile gegenüber konventionellen diagnostischen Methoden erkennen.

In einem von der Deutschen Krebshilfe seit 1997 geförderten Projekt konnten Drs. Gansauge nun erstmals zeigen, daß Caspasen (Enzyme), die eine elementare Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose) spielen, andererseits eine Schlüsselfunktion bei der Vermehrung von Krebszellen haben und daß, wenn man sie durch geeignete Inhibitoren hemmt, die Zellteilung bei Krebszellen unterdrückt werden kann. Von besonderem Interesse ist die Beobachtung nicht zuletzt insofern, als die körpereigenen Abwehrzellen durch die Caspasen (insbesondere Caspase-3) in ihrer antitumoralen Aktion beeinträchtigt werden. So vermögen die Zelluntergangsenzyme, wie man sie genannt hat, die T-Zellen, wichtige Elemente des Immunsystems, zu inaktivieren. Das ist naturgemäß unerwünscht. Die Möglichkeit, durch Hemmung der Caspasen, die Zahl der Krebszellen zu reduzieren, eröffnet neue therapeutische Aspekte. Seit 1998 wird die Analyse dieser molekularbiologischen und immunologischen Interaktionen im Rahmen des in Ulm ansässigen Sonderforschungsbereichs 518 "Entzündung, Regeneration und Transformation im Pankreas" der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

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