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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 115 / 31. 01. 2013 Der genetische Code ist ein Alphabet aus vier Buchstaben, deren Reihenfolge die Information für die Entwicklung und Funktion eines gesamten Organismus enthält. Die Anleitung für die Proteine als Bausteine des Lebens ist in den Genen kodiert. Doch nur ein Bruchteil der DNA einer Zelle besteht aus Genen, beim Menschen sind es etwa zwei Prozent. Der Rest ist nicht-kodierende DNA, die früher abwertend als Schrott bezeichnet wurde. Zutreffender ist da schon der Begriff „dark matter“, dunkle Materie, und so langsam kommt Licht in diesen Bereich unserer Erbsubstanz. Die nicht-kodierenden Abschnitte auf der DNA sind keineswegs nur Müll. Unter anderem enthalten sie Bereiche, die die Aktivität von Genen regulieren. Da jede Zelle des Körpers eine identische Kopie der Erbinformation enthält, sorgen sogenannte „Enhancer“ (Verstärker) dafür, daß Gene nur zum jeweils passenden Zeitpunkt und im entsprechenden Gewebe aktiv sind: das Hämoglobin-Gen etwa in den Vorläuferzellen der roten Blutkörperchen, Gene für Verdauungsenzyme im Magen. Ist diese exakt abgestimmte zeitliche und örtliche Regulation gestört, so können falsche Gene aktiviert werden und den Zellen unerwünschte Eigenschaften verleihen, bis hin zur Entartung in Krebszellen. Trotz der enormen Bedeutung der regulierenden DNA-Abschnitte war es bisher nur sehr eingeschränkt möglich, diese im gesamten Genom zu studieren. Es standen lediglich indirekte Methoden zur Identifizierung solcher Abschnitte zur Verfügung, die überdies anfällig für Fehler waren. Wissenschaftler um Alexander Stark am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie in Wien konnten diese Lücke nun schliessen. Unterstützt vom Europäischen Forschungsrat ERC entwickelten sie eine neue Wissenschaft & Technik Die »dunkle Materie« der Erbsubstanz Welche Gene in einer Zelle aktiv sind, wird von Tausenden Regulations- Abschnitten auf der DNA gesteuert. Wissenschaftler am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien entwickelten eine Methode, die diese Abschnitte effizient und vollständig aufspürt und deren Aktivität mißt. *) Die Arbeit „STARR-seq Reports Genome-Wide Quantitative Enhancer Activity Maps Revealing Complex cis-Regulation of Transcription“ von Cosmas Arnold et al. erschien am 17. Jänner 2013 online in „Science Express“. Foto: IMP Zellen im Eierstock einer Taufliege, Fluoreszenz-mikroskopische Aufnahme. Die DNA ist blau gefärbt, in grün ist die Enhancer-Aktivität dargestellt. Technologie namens „STARR-seq“ (selftranscribing active regulatory region sequencing), die sie in der Zeitschrift Science vorstellen. *) Die Methode erlaubt es, Enhancer- Sequenzen in der DNA nicht nur vollständig und rasch aufzuspüren, sondern gleichzeitig auch ihre jeweilige Aktivität quantitativ zu bestimmen, das heißt starke von schwachen Enhancern zu unterscheiden. Der Doktorand Cosmas Arnold hat die neue Technologie maßgeblich entwickelt und mit Hilfe des Bioinformatikers Daniel Gerlach auf Zell-Linien von Taufliegen angewendet. Dabei gewannen die Forscher bereits einige überraschende Erkenntnisse: Starke Enhancer wurden sowohl für sogenannte Haushaltsgene gefunden, die in jeder Zellen aktiv sind, wie auch für regulierte Gene, die für den jeweiligen Zelltyp spezifisch sind. Und erstmals konnte mit der Methode gezeigt werden, daß so gut wie alle Gene von mehreren Enhancern reguliert werden – eine Redundanz, die die Forscher »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 58 als eine Art Sicherheitsnetz der Zelle interpretieren, das die Steuerung robuster macht. Die neue Methode kombiniert die enorme Leistungsfähigkeit moderner Sequenziergeräte mit dem spezialisierten Know-how der Bioinformatiker am IMP. Für Alexander Stark ist sie ein äußerst wertvolles Werkzeug, von dem er sich viel verspricht: „Wir nutzen STARR-seq wie eine Art magisches Mikroskop, das die regulatorischen DNA- Abschnitte des Genoms sichtbar und zugänglich macht. Nun können wir erstmals flächendeckend untersuchen, wie Gene reguliert werden und wie diese Regulation im Genom verankert ist“. Neben der Genregulation im Lauf der normalen Entwicklung interessiert die IMP- Forscher auch, auf welche Weise fehlgeleitete Steuerung zu Erkrankungen bis hin zu Krebs führt. Gerade Mutationen in nichtkodierenden DNA-Abschnitten haben sich bisher einer Analyse weitgehend entzogen, können aber weitreichende Folgen haben. •
ÖSTERREICH JOURNAL NR. 115 / 31. 01. 2013 Wissenschaft & Technik Neuer Quanten-Zustand zwischen Ordnung und Unordnung Mit Atom-Chips auf der Suche nach ganz besonderen Quanten-Zuständen: TU- Physiker Jörg Schmiedmayer wird mit einem ERC-Advanced Grant ausgezeichnet. Mit seinen Forschungen an speziellen Quantenzuständen zwischen Ordnung und Unordnung hat Prof. Jörg Schmiedmayer bereits viel Aufsehen erregt: Ultrakalte Atomwolken mit einem hohen Grad an Ordnung streben mit der Zeit in ein ungeordnetes Temperatur-Gleichgewicht. Auf dem Weg dorthin nehmen sie aber einen erstaunlich stabilen Zwischenzustand ein. Mit einem ERC Advanced Grant des European Research Council, einem der begehrtesten europäischen Förderpreise, kann er diesem Geheimnis und anderen Nicht-Gleichgewichts-Phänomenen in Quanten-Vielteilchensystemen nun auf den Grund gehen. Übergänge in ein thermisches Gleichgewicht erleben wir jeden Tag – etwa wenn ein Eiszapfen sich der warmen Umgebungstemperatur anpaßt und schmilzt. Dabei nimmt die Entropie (ein Maß für die Unordnung im System) zu, und dem System geht Information verloren. Auch die ultrakalten Bose- Einstein-Kondensate, die am Vienna Center for Quantum Science and Technology, (VCQ) bzw. am Atominstitut der TU Wien untersucht werden, streben in ein thermisches Gleichgewicht. Sie wechseln dabei von einem Zustand, der nur quantenphysikalisch beschrieben werden kann, in einen Zustand, in dem die Quanten-Eigenschaften der Teilchen keine große Rolle mehr spielen. Dazwischen findet sich allerdings ein überraschend stabiles Zwischenstadium – der sogenannte „prä-thermalisierte Zustand“. „Die Ordnung im System nimmt zunächst rasch ab, bleibt dann aber im prä-thermalisierten Zustand praktisch konstant“, erklärt Jörg Schmiedmayer. „Ein Teil der Quanteninformation ist dabei noch nachweisbar, die Atom-Wolke hat noch nicht vergessen, daß sie aus einem extrem geordneten Bose-Einstein-Kondensat hervorgegangen ist.“ Während der anfängliche Verlust an Quanten-Ordnung innerhalb weniger Millisekunden stattfindet, bleibt der prä-thermalisierte Zustand danach über mehr als eine Zehntelsekunde erstaunlich stabil. Schmiedmayer hält dieses Auftreten eines Zwischenzustands zwischen quantenphysikalischer Ordnung und klassischer Foto: TU Wien Auf einem AtomChip (oben) werden ultrakalte Atomwolken (rot) erzeugt. Die Wolken überlagern sich, wodurch ein geordnetes Materiewellen-Interferenzbild entsteht (unten). Unordnung für ein sehr allgemeines Phänomen, das auch in anderen Systemen zu finden sein sollte. „Prä-thermalisierte Zustände werden in Schwerionenkollisionen bei extrem hohen Energien (CERN-LHC) vermutet und es könnte sein, daß auch die kosmische Hintergrundstrahlung einem prä-thermalisierten Zustand entstammt, den das Universum kurz nach dem Urknall einnahm“, erklärt Schmiedmayer. In der Quantenphysik könnte der prä-thermalisierte Zustand für viele Anwendungen interessant sein. Will man etwa Daten in einem Quanten-Computer speichern oder Berechnungen durchführen, erzeugt man zwangsläufig einen Ungleichgewichts-Zustand, der in ein thermisches Gleichgewicht strebt und damit zerstört wird. Für seine Forschungen erhielt Schmiedmayer nun einen der begehrtesten und prestigeträchtigsten Förderpreise der europäischen Forschungslandschaft, den ERC Advanced Grant des European Research Council. Mit rund zwei Mio. Euro wird er in den nächsten fünf Jahren weitere Experimente zu »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at Relaxation und Nicht-Gleichgewichtsdynamik in Quanten Systemen durchführen können. „Wir wollen mit unseren Experimenten dazu beitragen, daß eine einheitliche, grundlegende Theorie für nichtgleichgewichts- Systeme gefunden wird, die auf ganz unterschiedliche Quanten-Systeme angewandt werden kann“, hofft Schmiedmayer. Jörg Schmiedmayer forscht seit 2006 am Atominstitut der TU Wien, wo er bereits seine Doktorarbeit schrieb. Dazwischen führte ihn seine berufliche Laufbahn rund um die Welt: Schmiedmayer arbeitete als Postdoc in Harvard und am MIT (Cambridge, USA), ging dann nach Innsbruck und später als Prof für Experimentalphysik an die Universität Heidelberg. Als Gastprofessor war er unter anderem auch an der Universität Beijing (China) und am National Institut for Informatics (NII) in Tokyo tätig. Schmiedmayer wurde mit zahlreichen Stipendien und Preisen ausgezeichnet – darunter auch der Wittgenstein-Preis des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF (2006). • http://www.atomchip.org 59
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