Wissenschaft & Forschung

Biowissenschaften kurz notiert<h2>NAD+ hilft, DNA-Schäden zu reparieren</h2>Ein hoher Spiegel von Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) in der Zelle schützt vor alters- und strahlenbedingten DNA-Schäden, wie Studien an Mäusen zeigen. Daher könnten Wirkstoffe, welche die NAD+-Konzentration im Organismus steigern, Krebserkrankungen verhindern oder therapieren. Eine internationale Forschergruppe, unter anderem von der Universität Bayreuth und der Harvard Medical School, hat auch den Mechanismus aufklärt, der dieser Schutzwirkung zugrunde liegt: Wesentlich für die Reparatur bestimmter DNA-Schäden ist das Enzym PARP1. Es bildet einen Komplex mit dem Protein DBC1, was die Aktivität von PARP1 schwächt. NAD+ bindet ebenfalls an DCB1 und verhindert damit, dass sich der Komplex mit PARP1 bildet. So kann die DNA-Reparatur ungehindert ablaufen. NAD+ ist ein kleines Molekül, das an vielen lebenswichtigen Stoffwechselprozessen beteiligt ist. Es dient beispielsweise in der Zellatmung als Elektronen- und Energieträger.<ul><li>
1 Science 2017, 355, 1312–1317</li></ul>
Susanne Sauer

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Biowissenschaften kurz notiert

Biowissenschaften kurz notiertNAD+ hilft, DNA-Schäden zu reparierenEin hoher Spiegel von Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) in der Zelle schützt vor alters- und strahlenbedingten DNA-Schäden, wie Studien an Mäusen zeigen. Daher könnten Wirkstoffe, welche die NAD+-Konzentration im Organismus stei...

Prof.Dr.

Ein bioinspirierter Haftvermittler mit Mikrostrukturen haftet leimfrei und trocken. Kombiniert mit flüssigkristallinen Elastomeren, die auf UV-Licht reagieren, lässt sich die Haftung ein- und ausschalten, sodass sich Gegenstände transportieren lassen.
Dass sich Tiere wie Käfer, Spinnen und Geckos mit ihren Füßen an Wände und Decken heften und genauso leicht wieder lösen können, fasziniert Forscher seit Jahren. Geckos halten mit ihren Füßen mehr als das 40-Fache ihres Eigengewichts.1) Diese außerordentliche Fähigkeit basiert auf geometrischen Prinzipien, zum Beispiel anisotroper Ausrichtung sowie Form und Dichte der fibrillären Strukturen an ihren Füßen.2,3)Diese Fibrillen sind auf den Tierfüßen so angeordnet, dass sie beim Anheften rasch Van-der-Waals- und Kapillarkräfte aktivieren, sich aber auch schnell wieder lösen, wenn die Tiere ihre Füße bewegen.4) Nach Vergleichsstudien korrelieren Körpergewicht und Dichte der fibrillären Strukturen: Schwerere Tiere haben kleinere und dichter gepackte Mikro- und Nanokontakte: Ein 100 Gramm schwerer Gecko hat etwa 1000 Haftborsten pro 100 µm² Oberfläche.5)<h2>Biomimetische Klebstoffe</h2>Biologische Systeme wie die Haftfähigkeit von Geckofüßen für Anwendungen biomimetisch zu adaptieren, hat in den letzten Jahren zu neuen Produkten geführt. Die leimfreie, trockene Haftvermittlung lässt sich künstlich nachahmen. Biomimetische Ansätze lieferten geometrische Parameter: Günstig sind etwa hexagonal angeordnete Strukturen und spatel- oder pilzförmige Endkontaktelemente.6,7)Ein Beispiel für eine solche biomimetische Struktur ist die pilzförmige adhäsive Mikrostruktur (mushroom-shaped adhesive microstructure, MSAMS), die inspiriert ist von den Füßen männlicher Blattkäfer (Chrysomelidae). Diese haben pilz- und spachtelförmige Hafthaare, weibliche Blattkäfer nur spachtelförmige.8) MSAMS-Oberflächen haften reversibel und besser als andere bioinspirierte Mikrostrukturen aus dem gleichen Material. 20 mal 20 Zentimeter eines Klebebands mit solchen pilzförmigen Mikrostrukturen aus Polyvinylsiloxanen halten einen erwachsenen Mann an einer Glasdecke (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/dtcEjeNlT1ime5QVn9sW"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Der bioinspirierte Haftvermittler hält einen erwachsenen Menschen an der Decke.</figcaption></figure>
<h2>Umschaltbar</h2>Treten die Blattkäfer mit dem Fuß auf, haften sie stark; bewegen sie sich vorwärts, löst sich der Fuß schnell wieder. Die Hauptrolle dabei spielt eine hierarchische Oberflächentopografie: So haben Geckozehen Hafthärchen, die sich in spatelförmige Nanostrukturen verzweigen. Diese fibrilläre hierarchische Struktur hat einen nicht-haftenden Grundzustand, der sich durch Scherkräfte während der Beinbewegung in den haftenden Zustand umschaltet.9)Durch den mechanischen Reiz ordnen sich fibrilläre Strukturen neu und stellten einen adhäsiven Kontakt zum Substrat her. Inspiriert von solchen reizabhängigen Haftsystemen in der Natur lassen sich künstliche schaltbare Haftmikro- und -nanostrukturen synthetisieren. Der Reiz, durch den die Oberfläche von einem haftenden in einen nicht haftenden Zustand übergeht oder umgekehrt, ist magnetisch oder thermisch.10,11) Auch ein Lichtreiz lässt sich über Zeit, Intensität und Wellenlänge schnell und präzise steuern. Das ermöglicht bioinspirierte photoschaltbare reversible Haftsysteme.<h2>Flüssigkristalline Elastomere mit Azobenzol</h2>Zu den bekanntesten lichtabhängigen Polymeren gehören die flüssigkristallinen Elastomere (liquid crystal elastomer, LCE). Vor allem LCEs mit Azobenzolgruppen haben sich als photoschaltbare Polymere etabliert. Die Azobenzoleinheiten sind LCE-Mesogene, die mit einer schnellen Bewegung reagieren, wenn sie mit der richtigen Wellenlänge angestrahlt werden: Unter UV-Licht von Wellenlängen von typischerweise 320 bis 380 Nanometern schalten die Trans-Isomere der Azobenzolmoleküle in die Cis-Isomere. Dabei ändert sich ihre Geometrie: Die Moleküllänge von 9 Å in der Trans- wird zu 5,5 Å in der Cis-Konfiguration.12)Die Änderung ist reversibel: Das Molekül lässt sich thermisch oder durch Bestrahlen mit Licht aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich wieder in die stabile Trans-Konfiguration schalten. Diese Umorientierung in der flüssigkristallinen Phase verformt das Material makroskopisch und löst makroskopische Bewegungen aus, etwa die Bewegung eines Roboterarms und muskelähnliche Kontraktionen.13)<h2>Bei Licht wieder loslassen</h2>Um ein lichtgesteuertes Trockenklebematerial zu entwickeln, haben wir zwei Materialien miteinander kombiniert: pilzförmige Haftmikrostrukturen und eine Azobenzol-LCE-Folie. Das Ergebnis ist ein lichtkontrolliertes mikrostrukturiertes Transportinstrument (BIPMTD, Bioinspired Photocontrollable Microstructured Transport Device).14)BIPMTD besteht aus drei Schichten (Abbildung 2):<figure><img src="https://media.graphcms.com/Z0MNmUMTVKqUzmC7RWHq"><figcaption><label>Abb. 2: </label>A) Dreischichten-Struktur von BIPMTD: (1) eine PDMS-Schicht mit herausragendem MSAMS, (2) eine poröse LCE-Folie und (3) eine versiegelnde PDMS-Schicht, welche die LCE-Schicht in das BIPMTD integriert. B) Rasterelektronenmikrokopisches Bild der MSAMS-Säulen oben auf dem BIPMTD.14)</figcaption></figure>
<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>an der Oberfläche MSAMS, das aus einer Polydimethylsiloxan(PDMS)-Schicht ragt,<list-item>darunter eine poröse photoschaltbare Azobenzol-LCE-Folie,15)</list-item><list-item>eine PDMS-Trägerschicht, die die LCE-Folie von unten versiegelt.</list-item>Die Haftmikrostrukturen und die Stützschicht aus PDMS sind durch die poröse LCE-Folie fest miteinander verbunden. Die MSAMS-Säulen sind 70 µm hoch und an ihrer Spitze 45 µm breit, ihr Durchmesser beträgt unten 35 µm. Sie bedecken 50 Prozent der Oberfläche. Jede der drei Schichten – PDMS unter MSAMS, LCE-Folie und versiegelnde PDMS-Schicht – sind 100 µm dick.Um zu untersuchen, ob BIPMTD lichtkontrolliert haftet, wurde die pilzförmig mikrostrukturierte Oberfläche mit einer Glaskugel mit einem Millimeter Durchmesser in Kontakt gebracht. Anschließend wurde über einen Kraftsensor, der mit der Glaskugel verbunden war, die Kraft gemessen, die nötig ist, um die beiden Oberflächen zu trennen.Da die aktive Schicht im BIPMTD lichtschaltbar ist, beeinflusst die Lichtintensität die Größe der Haftkontaktfläche. Wie sich BIPMTD geometrisch verformt, ließ sich über die Bewegung eines Referenzpunkts in der Probenmitte bei verschiedenen UV-Licht-Transmissionen verfolgen. Der Anteil, zu dem das darunter liegende Glas UV-Licht durchließ, bestimmte die Größe der Haftkontaktfläche und der jeweiligen Haftkräfte. Die Haftkräfte bei 125, 250, 450 und 500 mW·cm–2 UV-Lichtbeleuchtung betrugen 93, 83, 46 und 23 Prozent der Adhäsionskraft bei 0 Prozent UV-Licht.Wie mechanische Messungen zeigen, induziert UV-Licht eine Kompressionskraft auf die Kontaktfläche und verringert damit das Haftvermögen von BIPMTD. Höhere Lichtdurchlässigkeiten bewirkten höhere Kräfte senkrecht zur Haftkontaktfläche, krümmten die Folie stärker und unterbrachen so den festen Kontakt, da sich mehr MSAMS-Säulen von der Glaskugeloberfläche lösten (Abbildung 3). Diese Eigenschaft macht BIPMTD nicht nur zu einem Schalter – es lässt sich durch die Lichtintensität auch fein einstellen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/lZ7rBrjQwOfsoe5gERKw"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Ändert sich die Molekülform der Azobenzoleinheiten in der LCE-Schicht durch Photoisomerisierung, verändert sich auch die Haftkontaktfläche zwischen BIPMTD und einer Glaskugel. Lichtinduzierte Krümmung der LCE-Folie reduziert die Kontaktfläche und führt zu allmählicher Ablösung der Haftsäulen.14)</figcaption></figure>
Wird das UV-Licht abgeschaltet, dehnt sich das LCE nicht weiter aus; das BIPMTD geht in seine ursprüngliche Form – auch ohne sichtbares Licht. Dass BIPMTD von selbst seine Form zurückgewinnt, kommt durch zwei Dinge zustande:Die elastische Energie wird gespeichert, wenn sich das LCE im umgebenden PDMS in der Ebene verlängert und in der Dicke zusammenzieht. Und die absorbierte Lichtenergie in der Azobenzol-LCE-Schicht wandelt sich in Wärme um, welche die Cis-Trans-Isomerisierung thermisch initiiert.<h2>Aufheben und wieder ablegen</h2>Mit seiner lichtkontrollierbaren Haftfähigkeit kann BIPMTD Objekte von einem Ort zum anderen transportieren (Abbildung 4). Dafür wurde BIPMTD auf einem Glasobjektträger fixiert und auf der Spitze einer UV-Lichtquelle angebracht. Eine ringförmige Glasscheibe und ein Eppendorf-Reaktionsgefäß wurden mit BIPMTD in Kontakt gebracht und aufgehoben. Beim Einschalten der UV-Lichtquelle verlängert sich das BIPMTD, und die Kontaktfläche verringert sich. Dadurch löst sich MSAMS teilweise von der Glasobjektträgeroberfläche. Ohne komplizierte Aufbauten und ohne dass eine Quelle für sichtbares Licht nötig ist, transportiert BIPMTD dreidimensionale Objekte – etwa 0,9 kg pro Quadratzentimeter Kontaktfläche.<figure><img src="https://media.graphcms.com/D6KorxvcSE1JO8awuBzg"><figcaption><label>Abb. 4: </label>BIPMTD als Pick-und-Drop-Instrument für eine ringförmige Glasscheibe (i bis iv) und ein Eppendorf-Reaktionsgefäß (v bis viii): in Kontakt bringen (i und v), aufnehmen (ii und vi), das UV-Licht einschalten (iii und vii). Nach Ausschalten des UV-Lichts fällt das Objekt auf den Boden.14)</figcaption></figure>
Übersetzung aus dem Englischen: Brigitte Osterath<h2>Quergelesen</h2>Dass sich Geckos an Decken und Wände heften und wieder ablösen können, liegt an der Oberfläche ihrer Füße: Diese sind mit Hafthärchen besetzt, deren nicht haftender Grundzustand sich während der Bewegung durch Scherkräfte in einen haftenden umwandelt.Dieses Verhalten lässt sich nachahmen, wenn Materialien miteinander kombiniert werden: pilzförmige Haftmikrostrukturen und eine Folie aus Azobenzol und liquid crystal elastomer (LCE).LCEs mit Azobenzolgruppen sind photoschaltbar, diese Eigenschaft findet sich auch im biomimetischen Adhäsiv. Die Lichtintensität beeinflusst die Größe der Haftkontaktfläche.<h2>Vitakasten</h2>Emre Kizilkan promoviert in der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik von Stanislav Gorb am Zoologischen Institut in Kiel. Seine Forschungsinteressen sind bioinspirierte Mikrostrukturen und lichtschaltbare Polymere.<div><img src="https://media.graphcms.com/qOqZ88xNRWiHfh0bqF8m">

</div>Anne Staubitz ist Professorin für organische Funktionsmaterialien an der Universität Bremen und nebenberuflich an der Universität Kiel. Sie forscht unter anderem an licht- und mechanisch schaltbaren Molekülen und Polymeren.<div><img src="https://media.graphcms.com/xGX8wkLmQ5u45FmPjcjX">

</div>Stanislav N. Gorb studierte Zoologie an der Nationalen Taras-Schewtschenko-Universität in Kiew, Ukraine. Er promovierte im Jahr 1991 am Schmalhausen Institut für Zoologie der Ukrainischen Akademie der Wissenschaften in Kiew. Nach mehreren Forschungsaufenthalten in Wien, Kiew, Tübingen und Jena habilitierte er am Zoologischen Institut der Universität Freiburg. Danach verbrachte er sieben Jahre am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart, bevor er im Jahr 2008 eine Professur für Funktionelle Morphologie und Biomechanik am Zoologischen Institut der Universität Kiel antrat. Er forscht an biologischen und bionischen Oberflächen mit spezifischen Haft- und Reibeeigenschaften.<div><img src="https://media.graphcms.com/noL8nksTS6XBDUl5Fibb">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 Y. A. Liang et al. in Technical Digest of the 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop. 33–38.</li><li>
2 K. Autumn, A. Dittmore, D. Santos, M. Spenko, J. M. Cutkosky, J. Exp. Biol. 2006, 209, 3569–3579.</li><li>
3 K. Autumn, A. M. Peattie, Integr. Comp. Biol. 2002, 42, 1081–1090.</li><li>
4 K. Autumn et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12252–12256.</li><li>
5 E. Arzt, S. Gorb, R. Spolenak, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 10603–10606.</li><li>
6 L. F. Boesel, C. Greiner, E. Arzt, A. Del Campo, Adv. Mater. 2010, 22, 2125–2137.</li><li>
7 D. Sameoto, C. Menon, Smart Mater. Struct. 2010, 19, 103001.</li><li>
8 S. Gorb, M. Varenberg, A. Peressadko, J. Tuma, J. R. Soc. Interface 2007, 4, 271–275.</li><li>
9 K. Autumn, Am. Sci. 2006, 94, 124–132.</li><li>
10 A. G. Gillies, J. Kwak, R. S. Fearing, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3256–3261.</li><li>
11 H. Shahsavan, S. M. Salili, A. Jákli, B. Zhao, Adv. Mater. 2015, 27, 6828–6833.</li><li>
12 D. Iqbal, M. H. Samiullah, Materials 2013, 6, 116–142.</li><li>
13 T. Ikeda, J. I. Mamiya, Y. Yu, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 506–528.</li><li>
14 E. Kizilkan, J. Strueben, A. Staubitz, S. N. Gorb, Robot. 2017, 2, eaak9454.</li><li>
15 E. Kizilkan, et al., Roy. Soc. Open Sci. 2016, 3, 150700.</li></ul>

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