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Kurznachrichten Mai 2017

Alzheimer: "Pyroglutatamat-Aβ" lässt andere Proteinformen schneller verklumpen

Bei der Alzheimerschen Demenz bilden Moleküle des körpereigenen Proteins Amyloid-beta (Aβ) Verklumpungen im Gehirn, die auf Nervenzellen schädlich wirken. Warum das eigentlich harmlose Eiweiß auf diese Weise zum Krankheitsauslöser wird, ist eine der großen Fragen der Alzheimer-Forschung. Dabei verkompliziert sich die Aufklärung der genauen Zusammenhänge dadurch, dass das Protein in unterschiedlichen Varianten vorkommt. Eine davon, das sogenannte Pyroglutamat-Aβ, rückt wegen besonders aggressiver Eigenschaften immer mehr in den Fokus der Forschung. Sie macht etwa 20 Prozent allen Aβ-Proteins im Gehirn aus. Was diese Proteinform so gefährlich macht, ist die im Vergleich zu den im Körper am häufigsten vorkommenden Formen, Aβ-1-40 und Aβ-1-42, extrem erhöhte Geschwindigkeit, mit der sie zu giftigen Proteinaggregaten verklumpt. Jetzt haben Jülicher und Düsseldorfer Forscher allerdings festgestellt, dass das Pyroglutamat-Aβ auch die Verklumpung von Aβ-1-42 massiv beschleunigen kann. Da die unterschiedlichen Proteinformen im Körper in Mischung vorliegen, könnte dies auf eine entscheidende Rolle für Pyroglutamat-Aβ im Krankheitsprozess hinweisen. Auch den Mechanismus der fatalen "Ko-Aggregation" konnten die Forscher aufklären. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Chemical Science veröffentlicht.

Original-Publikation:
C. Dammers, M. Schwarten, A. K. Buell and D. Willbold: Pyroglutamate-modified Aβ(3-42) affects aggregation kinetics of Aβ(1-42) by accelerating primary and secondary pathways.
Chem. Sci., 2017, Advance Article, DOI: 10.1039/C6SC04797A

In einer kurz zuvor im Biophysical Journal erschienen Studie hatten die Forscher bereits erstmals Einblicke in die strukturelle Basis der veränderten Eigenschaften von Pyroglutamat-Aβ präsentiert:

Pressemitteilung "Winziger Unterschied macht Alzheimer-Protein noch schädlicher"

Institut of Complex Systems, Bereich Strukturbiochemie (ICS-6)

Institut für Physikalische Biologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Neue Methoden für die Entschlüsselung von Membranproteinen

Membranproteine sind Bestandteile von Zellmembranen, auf denen der Stoffaustausch der Zelle mit ihrer Umwelt und die Verarbeitung von Signalen beruht. Da neue Medikamentenentwicklungen oft zielgenau die Aktivität bestimmter Membranproteine beeinflussen sollen, benötigt die Forschung möglichst genaue Informationen über den Aufbau dieser komplexen Moleküle. Die Entschlüsselung ihrer Struktur mithilfe der Röntgenkristallographie bereitet besondere Probleme. Ein Team von Wissenschaftlern aus Jülich, Moskau und Grenoble hat nun zwei neue methodische Ansätze entwickelt, die sowohl die Kristallisierung als auch die spätere Strukturentschlüsselung wesentlich vereinfachen können.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich Membranproteine eingebettet in sogenannten "Nanodiscs", winzigen künstlichen Scheiben einer zellmembran-ähnlichen Lipid-Doppelschicht, direkt kristallisieren lassen. Die Nanodiscs transportieren die empfindlichen Membranproteine dabei in eine von den Forschern entwickelte dreidimensionale Lipid-Matrix, wo sie sich auflösen. Die Proteine verteilen sich dann in das membranartige Netzwerk und ordnen sich in einer regelmäßigen Kristallgitterstruktur an. Die Publikation wurde für das Coverbild des Fachmagazins Crystal Growth and Design ausgewählt.

In einer zweiten Studie im Open Access-Journal "Science Advances" beschreiben die Forscher eine neue Methode, die die Gewinnung von Informationen in den Experimenten vereinfacht. Um Daten in ausreichender Qualität zu erhalten, ist es oft nötig, schwerere Atome in die Kristalle einzubauen, damit sie die Röntgenstrahlen klarer beeinflussen. Für unterschiedliche Membranproteine die korrekten Bedingungen zu finden, war jedoch bisher ein Problem, sodass oft nach Versuch und Irrtum vorgegangen werden musste und aufwändige Zusatzexperimente nötig waren.

Wie sich nun zeigte, scheint der Einbau von Ionen des Elementes Jod in die Kristalle ein universell einsetzbares Verfahren zu sein. Aufgrund von strukturellen Merkmalen, die allen Membranproteinen gemeinsam sind, lagern sich Jod-Ionen dabei stets an den richtigen Stellen im Molekül an, ohne die Kristallqualität, also die Regelmäßigkeit der Anordnung, zu beeinträchtigen. Damit könnte nun ein Weg gefunden sein, vom Experiment ohne Umwege zur entschlüsselten Struktur zu gelangen.

Originalpublikationen:
M. Nikolaev, E. Round, I. Gushchin, V. Polovinkin, T. Balandin, P. Kuzmichev, V. Shevchenko, V. Borshchevskiy, A. Kuklin, A. Round, F. Bernhard, D. Willbold, G. Büldt, and V. Gordeliy
Integral Membrane Proteins Can Be Crystallized Directly from Nanodiscs. Cryst. Growth Des. (2017) DOI: 0.1021/acs.cgd.6b01631
pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.cgd.6b01631

Igor Melnikov, Vitaly Polovinkin, Kirill Kovalev, Ivan Gushchin, Mikhail Shevtsov, Vitaly Shevchenko, Alexey Mishin, Alexey Alekseev, Francisco Rodriguez-Valera, Valentin Borshchevskiy, Vadim Cherezov, Gordon A. Leonard, Valentin Gordeliy, Alexander Popov
Fast iodide-SAD phasing for high-throughput membrane protein structure determination. Sci. Adv. 2017; 3:e1602952 12 May 2017

Institute of Complex Systems, Bereich Strukturbiochemie (ICS-6)

Gendefekt häufige Ursache einer Bewegungsstörung

Eine "spastische Ataxie" ist eine Störung der Bewegungskoordination. Eine genetische Ursache dieser Erkrankung haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen einer internationalen Kooperation unter Beteiligung des Forschungszentrums Jülich, der Universitäten Bonn, Köln und Tübingen sowie weiteren nationalen und internationalen Projektpartnern untersucht und die Ergebnisse in einer neuen Studie vorgestellt.

Die Ursachen von Bewegungsstörungen sind häufig unklar. Möglicherweise spielen unerkannte, vererbte Gendefekte eine Rolle; sie sind aber bei Familien mit einzelnen Erkrankten meist nicht zu klären. Dennoch ist eine genaue Diagnose sowohl für den Umgang mit der Erkrankung als auch für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze von großer Bedeutung. Bei neuen gendiagnostischen Verfahren wird nicht das komplette Genom analysiert, sondern werden nur die sogenannten Exone untersucht: Bereiche, die für die Herstellung neuer Proteine "abgelesen" werden. Die dazwischen liegenden Introne werden nicht vollständig erfasst.

Die von Dr. Martina Minnerop vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin und Dr. Alfredo Ramirez von der Klinik für Psychiatrie der Uniklinik Köln koordinierte Studie zeigt aber, dass gerade hier ein Schlüssel zum Verständnis der Ursachen der Erkrankung liegt: Die Forscher entdeckten, dass im Genom des Enzyms RNA-Polymerase III eine intronische Mutation in Kombination mit einer exonischen Mutation eine häufige Ursache einer "spastischen Ataxie" ist. Die RNA-Polymerase III ist wichtig für die Herstellung von RNAs, die für regulatorische Funktionen in den Zellen benötigt werden.

Die Forscher untersuchten mithilfe verschiedener Methoden, welchen Einfluss einzelne Mutationen im Intron und Exon auf die Struktur und Funktion des Enzyms RNA-Polymerase III haben, dessen Restfunktion offensichtlich Art und Ausprägung der Symptome bestimmt. Die neuen Erkenntnisse zeigen den Weg zu einer genaueren Diagnose der Bewegungsstörung "spastische Ataxie" auf.

Originalpublikation:
Martina Minnerop et al., Hopomorphic mutations in POLR3A are a frequent cause of sporadic and recessive spastic ataxia. Brain, April 27 2017, DOI: 10.1093/brain/awx095.

Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Bereich Strukturelle und funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)

Institute for Advanced Simulation (IAS), Bereich Computational Biomedicine (IAS-5 / INM-9)

Luftschadstoffe: Ethan-Emissionen steigen seit 2010 wieder an

Von einem starken Anstieg des Ethan-Ausstoßes in die Atmosphäre auf der Nordhalbkugel der Erde berichtet ein Bulletin, das die Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organization, WMO) im Mai veröffentlichte. Ethan ist neben dem starken Treibhausgas Methan ein Bestandteil von Erdgas. Als Ursache für den Anstieg nennt das Bulletin die verstärkte Öl- und Gasförderung in Nordamerika. Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Troposphärenforschung sind als Partner der WMO an den Messungen und dem Bulletin beteiligt.

"Der jahrzehntelange Rückgang der Ethan-Emissionen ist zu Ende. Messergebnisse des Global Atmosphere Watch-Netzwerkes der WMO zeigen deutlich einen erneuten Anstieg auf der nördlichen Erdhalbkugel. Ursache dafür ist das Wachstum der nordamerikanischen Öl- und Gasindustrie in den vergangenen Jahren", erläutert Dr. Martin Schultz, Wissenschaftler am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung und Vorsitzender des wissenschaftlichen Lenkungsausschusses für reaktive Spurengase der WMO. Das Global Atmosphere Watch-Netzwerk (GAW) für Kohlenwasserstoffe umfasst weltweit 85 Messstationen. Außerdem werden an GAW-Stationen auch Ozon, Stickoxide, Kohlenmonoxid, Aerosole und Treibhausgase gemessen.

Vor 2010 verzeichnete die WMO bei Ethan noch einen Rückgang um 25 Prozent im Vergleich zu den Werten, die rund 30 Jahre früher gemessen wurden. Ein Erfolg, der sich auf verstärkte Kontrollen bei der Öl- und Gasförderung und weniger Abgase von Autos und Lkw zurückführen lässt, so die WMO. Bis 2014 stiegen die Werte des Luftschadstoffs allerdings wieder um rund 20 Prozent an – ausschließlich auf der Nordhalbkugel, wie die Messungen zeigten. Die stärksten Anstiege von Ethan wurden dabei von Messstellen in der Nähe von Gebieten mit intensiver Öl- und Gasförderung in den USA registriert. "Diese Ergebnisse belegen die Bedeutung eines globalen Netzwerks, in dem langfristig angelegte Spurengasmessungen hoher Qualität durchgeführt werden können", so Martin Schultz.

Bulletin der WMO

Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Troposphäre (IEK-8)

Katrin Amunts neu in der Akademie der Wissenschaften

Die Neurowissenschaftlerin Prof. Katrin Amunts vom Forschungszentrum Jülich ist neues Mitglied der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste. Amunts, Direktorin des Jülicher Instituts für Neurowissenschaften und Medizin und des C. und O. Vogt-Instituts für Hirnforschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, wurde Anfang Mai im Rahmen der Jahresfeier der Akademie offiziell in die Akademie aufgenommen.

Die Hirnforscherin arbeitet gemeinsam mit ihrem Team und anderen Wissenschaftlern aus verschiedenen Disziplinen an einem hochaufgelösten 3D-Modell des menschlichen Gehirns. Ziel ihrer Arbeit ist die Erstellung eines dreidimensionalen Hirnatlas, der es ermöglicht, die komplizierte Struktur und Funktionen des Gehirns mitsamt den bestehenden individuellen Unterschieden auf den verschiedenen Ebenen der Hirnorganisation darzustellen und zu verstehen. Amunts ist auch wissenschaftliche Leiterin des "Human Brain Project" (HBP). Das Flagship-Projekt schafft eine Europäische ICT-Infrastruktur, die Neurowissenschaftler dabei unterstützen soll, ein umfassendes Verständnis des menschlichen Gehirns zu entwickeln, solches Wissen in medizinischen Fortschritt umzusetzen sowie zukünftiges Computing, Neurotechnologien, Simulation und Data Science zu befördern. Seit 2016 ist die Wissenschaftlerin stellvertretende Vorsitzende des Deutschen Ethikrats.

Die Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften und der Künste wurde 1970 als Nachfolgeeinrichtung der Arbeitsgemeinschaft für Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen gegründet. In der Akademie pflegen die Mitglieder wie in den weiteren sieben deutschen Landesakademien den wissenschaftlichen Gedankenaustausch und unterhalten enge Kontakte zu anderen wissenschaftlichen Einrichtungen im In- und Ausland.

Website der Akademie der Wissenschaften und Künste NRW

Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM)

Website des Human Brain Project (HBP)

10 Millionen Euro für Weiche-Materie-Forschung

Ein neues europäisches Forschungsinfrastrukturprojekt unter Jülicher Federführung ist startklar: Im April haben die EU-Kommission und das Forschungszentrum Jülich eine Fördervereinbarung für das dezentrale Vorhaben "EUropean Soft Matter Infrastructure" (EUSMI) unterzeichnet. Die EU-Kommission unterstützt EUSMI mit 10 Millionen Euro über vier Jahre.

In dem Projekt bündeln 15 europäische Partner ihre teilweise einzigartigen Einrichtungen zur physikalischen Untersuchung weicher Materie, zur Entwicklung und Synthese neuer Materialien und für Computersimulationen und stellen diese Infrastruktur externen Wissenschaftlern für deren Arbeit zur Verfügung. Mithilfe gemeinsamer Forschungs- und Entwicklungsprojekte soll sichergestellt werden, dass diese Einrichtungen auch in Zukunft zu den besten der Welt gehören.

Weiche Materie umfasst ganz unterschiedliche Substanzen, denen gemein ist, dass sie bei Raumtemperatur weich sind. Dazu gehören biologische Materialien wie Zellmembranen ebenso wie künstliche, etwa Kunststoffpolymere. "Unser Ziel ist es, besser zu verstehen, wie bestimmte Eigenschaften der weichen Materie entstehen und wie sich gewünschte Eigenschaften maßschneidern lassen", erläutert Prof. Jan Dhont, Direktor am Institute of Complex Systems, der das Projekt gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Dr. Peter Lang koordiniert. "Wegen der hohen Komplexität der weichen Materie sind dazu vielfältige Methoden und Instrumente nötig und eine interdisziplinäre Herangehensweise von Vorteil. Diese bietet beziehungsweise fördert EUSMI."

Institute of Complex Systems, Bereich Weiche Materie (ICS-3)

Workshop zur Nutzung von Neutronen für die Forschung an PIK

Im kommenden Jahr soll der russische Forschungsreaktor PIK in Gatchina bei St. Petersburg in Betrieb gehen. Im Mittelpunkt des Workshops "The future of biology and soft matter research on reactor PIK" Mitte Mai in Peterhof, Russland, stand die Bildung einer wissenschaftlichen Nutzergemeinschaft für die Neutronenforschung in Biologie und Weicher Materie, da für diese Zwecke an PIK entsprechende Instrumente entwickelt werden sollen. Der Präsident des NRC "Kurchatov Institute", Prof. Mikhail Kovalchuk, und Prof. Sebastian M. Schmidt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich, hatten die wissenschaftliche Leitung des Workshops. Beide sprachen sich dafür aus, an PIK ein internationales Nutzerzentrum für die Forschung mit Neutronen einzurichten. "Die für das kommende Jahr geplante Inbetriebnahme von PIK eröffnet neue Perspektiven für die Neutronenforschung", so Schmidt. "Wenn es gelingt, eine internationale Nutzereinrichtung in St. Petersburg zu etablieren, wäre dies eine große Errungenschaft für Russland, Deutschland und Europa."

Die Forschung mit Neutronen ist eine Schlüsseltechnologie für viele Wissenschaftsbereiche. Magnetische Datenspeicher für die Computertechnologie von übermorgen, thermoelektrische Energietechnologien zur zukünftigen Stromgewinnung aus Abwärme, nanoverstärkte Polymerwerkstoffe für leichtere Autos, biologische Prozesse und Proteine zur Verbesserung von Medikamenten: Alle Bereiche profitieren von den Erkenntnissen, die nur mittels Neutronen aus Werkstoffen und Proben gewonnen werden können.

Der Workshop in Peterhof war eine der Maßnahmen von CREMLIN (Connecting Russian and European Measures for Large-scale Research Infrastructures): Das Projekt soll die europäisch-russische Zusammenarbeit bei der Planung und wissenschaftlichen Nutzung physikalischer Großforschungseinrichtungen fördern. Das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) koordiniert im Rahmen des Projektes die Zusammenarbeit mit PIK.

Informationen zur Forschung mit Neutronen

Jülich Centre for Neutron Science (JCNS)

Pressemitteilung zu CREMLIN vom 1. September 2015

Forschungszentrum Jülich bei der MEMRISYS 2017

Bei der MEMRISYS 2017, der "International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems", trafen sich im April in Athen erstmals Materialforscher für Memristoren, neuartige Speicherzellen, und Experten für "Neuromorphes Computing" in größerem Rahmen. Die Konferenz war damit ein wichtiger Schritt auf dem Weg hin zu Computern, deren Architektur und Funktionsweise dem Gehirn nachempfunden sind. Aus diesem Grund war auch die Fachzeitschrift Nature Nanotechnology mit Associate Editor Dr. Giacomo Prando in Athen vertreten. Dr. Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich und der Jülich Aachen Research Alliance JARA gehörte zu den wissenschaftlichen Leitern der Konferenz.

Hinsichtlich Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit ist das menschliche Gehirn selbst den größten heute existierenden Superrechnern bei bestimmten Aufgaben immer noch haushoch überlegen. Im Gehirn gibt es keine konzeptionelle Trennung zwischen den Recheneinheiten und dem Speicher. Außerdem arbeitet das Gehirn auf natürliche Weise hochgradig parallel und führt viele Rechenoperationen gleichzeitig aus – beide Eigenschaften sind möglicherweise Schlüssel zu seiner enormen Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit und damit wegweisend für eine neuartige Computer-Architektur.

Die Konferenz soll jährlich stattfinden. Für das Jahr 2018 wurde sie nach China vergeben.

Website der Konferenz

Peter Grünberg Institut, Bereich Elektronische Materialien (PGI-7)

Jülich Aachen Research Alliance JARA, Sektion JARA-FIT

"Schüler experimentieren": Tolle Bilanz beim Landeswettbewerb

Drei Sieger des Regionalwettbewerbs "Schüler experimentieren" im Forschungszentrum Jülich waren Anfang Mai auch beim Landeswettbewerb in Essen erfolgreich. So kamen Mayra Sandler und Katrin Schwering vom Städtischen Gymnasium Herzogenrath mit ihrem "Taschenwärmer für die Mikrowelle" in Chemie auf den ersten Platz. Im Fachgebiet Physik überzeugte Erik Spangenberg von der Gemeinschaftsgrundschule Jülich West die Jury mit seiner Arbeit "Warum hat der Golfball Dellen – und kein anderes Muster?" Auch er kam auf den 1. Platz.

"Wie lagert man Bananen, Tomaten und Clementinen zu Hause am besten?" – Mit dieser Frage beschäftigten sich Ida Wille und Paula Flock von der GGS-Grundschule Jülich Koslar. Die Antworten, die sie in ihrer Arbeit fanden, sicherten ihnen landesweit den 3. Platz im Fachgebiet Biologie. Allegra Wingen und Julia Kuckelkorn von der Domsingschule Aachen waren im Regionalwettbewerb mit ihrer Arbeit "Panzerknacker: Wie stabil sind Schneckenhäuser und Muscheln?" erfolgreich. Auf Landesebene kamen sie im Fachgebiet Biologie zwar nicht auf vordere Plätze, wurden aber mit einem Sonderpreis ausgezeichnet.

Pressemitteilung "Regionalwettbewerb Jugend forscht in Jülich" vom 10. Februar 2017

Website von "Jugend forscht – Schüler experimentieren"

Zu Besuch bei den Hirnforschern von morgen

"Zeigst du mir deine Welt? Vielfalt im Alltag erleben" – so lautet in diesem Jahr das Motto am "Tag der kleinen Forscher". Der Aktionstag wird von der Stiftung "Haus der kleinen Forscher" in Partnerschaft mit der Helmholtz-Gemeinschaft jährlich bundesweit veranstaltet. Das Forschungszentrum Jülich ist in diesem Jahr zum dritten Mal in Folge dabei, wenn es darum geht, die MINT-Fächer – Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik – bereits im Kindergarten zu fördern. In Jülich mit einem Schwerpunkt auf der Hirnforschung soll es in diesem Jahr speziell auch um "Sinne – Sehen und Gehirn" gehen. Die Aktion wird vom Schülerlabor JuLab und dem Büro für Chancengleichheit organisiert.

Am "Tag der kleinen Forscher" werden Mitarbeiter des Forschungszentrums für zwei Stunden von der Arbeit freigestellt, um die Kindergärten ihrer Kinder zu besuchen und mit einfachen Experimenten das Interesse, die Neugier und Freude an den MINT-Fächern zu fördern. Dazu werden sie zuvor im JuLab geschult und erhalten eine entsprechende Ausstattung. Im Monat Juni haben sie dann Gelegenheit, ihren Nachwuchs im Kindergarten zu besuchen. Insgesamt können auf diesem Weg rund 2000 Kinder in der Region erreicht und für Naturwissenschaften begeistert werden.

Büro für Chancengleichheit (BfC)

Schülerlabor JuLab

Website von "Haus der kleinen Forscher"

Aktuelle Termine:

Auf Seite http://www.fz-juelich.de/termine finden Sie aktuelle Konferenzen und Veranstaltungen im und mit dem Forschungs­zentrum Jülich, unter anderem:

Tag der Architektur im Forschungszentrum

25. Juni, 10 bis 18 Uhr, Forschungszentrum Jülich
Der diesjährige "Tag der Architektur" am Sonntag, 25. Juni, steht unter dem Motto "Architektur schafft Lebensqualität". Auf dem Campus werden das neue Forschungsgewächshaus, der Neubau Nuklearchemie sowie der Neubau für NMR-Spektroskopie vorgestellt. Im Angebot sind auch Rundfahrten über den Campus. Hier erhalten Besucher Informationen über andere Bauten und ihre Nutzung.

Weitere Informationen und Anmeldung

Pressekontakt:

Erhard Zeiss, Tel. 02461 61-1841, e.zeiss@fz-juelich.de


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