Forschungsprojekte im Bereich NanoBioMed

• Fachliche Zuordnung: Medizin
• Projektleitung: Prof. Dr. Ulrich Boehm (Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie)
• Förderzeitraum: 2014-2026
• Sprecherhochschule: LMU München

Transient receptor potential (TRP)-Kanäle sind eine große Proteinfamilie mit zentralen Rollen als vielseitige zelluläre Sensoren und Effektoren. TRP-Proteine steuern ein außergewöhnlich breites Spektrum homöostatischer physiologischer Funktionen: Mehr als zwanzig menschliche Erbkrankheiten werden durch Mutationen in zwölf TRP-Genen hervorgerufen. Die meisten TRP-Kanal-Erkrankungen wirken sich auf Entwicklung, Metabolismus und andere homöostatische Körperfunktionen aus. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden Pathophysiologie fehlt jedoch. Der Sonderforschungsbereich konzentriert sich daher auf die Physiologie und Pathophysiologie von TRP-Ionenkanälen. Entwickelt werden neue molekulare Werkzeuge und Techniken zur Analyse von TRP-Kanalfunktionen. Dies soll spezifische und maßgeschneiderte Therapieoptionen für Patienten möglich machen, deren Erkrankungen durch dysfunktionelle TRP-Proteine mitverursacht werden.

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• Forschungsgruppe
• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik / Verfahrenstechnik
• Sprecher: Prof. Dr. Christian Wagner (Experimentalphysik)
• Förderzeitraum: seit 2019

Die Art und Weise, wie Blut durch die Gefäße strömt, spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, etwa Thrombosen und Arteriosklerose. Allerdings sind die physikalischen Grundlagen des Blutstroms kaum bekannt. Blut ist heterogener als Wasser ist und wird von einer Pumpe, dem Herzen, angetrieben, es pulsiert. Bisherige Experimente zum Strömungsverhalten basieren aber in der Regel auf Wasser, das sich gleichförmig bewegt. Ein interdisziplinäres Team aus der Physik, den Ingenieurwissenschaften und der Medizin aus mehreren Universitäten wollen diese Wissenslücke schließen. Gemeinsam arbeiten sie in der neu eingerichteten Forschungsgruppe „Instabilitäten, Bifurkationen und Migration in pulsierender Strömung“ an diesem Ziel.

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• Emmy Noether-Nachwuchsgruppe
• Fachliche Zuordnung: Physikalische und Theoretische Chemie
• Projektleitung: Hilke Bahmann (Physikalische und Theoretische Chemie)
• Förderzeitraum: seit 2019

Die computergestützte Simulation einzelner Moleküle, auch molekulare Modellierung genannt, wird in der Grundlagenforschung und zunehmend auch in der Industrie eingesetzt, um neue Materialien zu finden, effizientere Katalysatoren zu entwickeln oder medizinische Wirkstoffe zu verbessern. Häufig sind mikroskopische Effekte auf subatomarer Ebene entscheidend für makroskopische Eigenschaften, so dass eine verlässliche und genaue Beschreibung der Elektronenstruktur eine wichtige Voraussetzung für die oben genannten Studien ist. Die Elektronenstruktur kann mit diversen quantenchemischen Methoden berechnet werden, wobei die Dichtefunktionaltheorie am populärsten ist. Zwei derzeit wichtige Einschränkungen der zur Verfügung stehenden Dichtefunktionale sind konstante, systemabhängige Parameter und eine unzureichende Beschreibung starker Korrelationseffekte zwischen Elektronen.

Um die Vorhersagekraft der Dichtefunktionaltheorie für Modellsysteme der heterogenen Katalyse und Hybridmaterialien zu verbessern, werden in diesem Projekt verschiedene Methoden entwickelt, die sich an die lokale Elektronenstruktur anpassen und zusätzliche physikalische Größen beinhalten, um starke Korrelation explizit zu beschreiben. Ein zweiter wichtiger Aspekt ist die effiziente Implementierung in ein renommiertes, quantenchemisches Programmpaket, damit die neuen Methoden unmittelbar auf chemisch und physikalisch relevante Systeme angewendet werden können und einer breiten Anwendergemeinschaft zur Verfügung stehen.

• Verbundprojekt
• Projektleitung: Prof. Dr. Andriy Luzhetskyy (Pharmazeutische Biotechnolgie) & Prof. Dr. Christoph Wittmann (Systembiologie)
• Förderzeitraum: 2020–2023

EXPLOMARE befasst sich mit der Erforschung und Entwicklung neuartiger Verfahren zur Gewinnung wertvoller Naturstoffe.

In einem interdisziplinären Ansatz soll eine einzigartige marine Wertschöpfungskette aufgebaut werden. Diese soll die Herstellung neuartiger Wirkstoffe marinen Ursprungs mit maßgeschneiderten Zellfabriken der Gattung Streptomyces ermöglichen. Die Bakterien stammen dabei ebenfalls aus dem Meer. Sie sind daher an hohe Salzgehalte adaptiert, die vermutlich entscheidend für die effektive Funktion mariner Naturstoffsynthese-Wege sind. Naturstoff-Gencluster aus dem Meer können in herkömmlichen terrestrischen Mikroorganismen oft nur schlecht exprimiert werden. Mit Hilfe von synthetischer Biologie und metabolischem Engineering sollen die mikrobiellen Zellfabriken schrittweise aufgebaut werden. Die Etablierung biotechnologischer Verfahren auf Basis der zellulären Minifabriken soll dann später Meeresalgen als Rohstoff nutzen. Diese gelten als einer der zukunftsträchtigsten nachwachsenden Rohstoffe weltweit – können sie doch ohne Dünger, Pestizide und Konkurrenz mit wertvollen Ackerflächen direkt im Meer angebaut werden, wo sie aufgrund ihres schnellen Wachstums bis 70 Meter lang werden und höhere Biomasseerträge liefern als zum Beispiel Mais oder Getreide.

Für die innovative Entwicklung bündeln die Arbeitsgruppen von Christoph Wittmann (Institut für Systembiotechnologie) und Andriy Luzhetskyy (Pharmazeutische Biotechnologie) der Saar-Uni ihre Expertisen.  Weitere Kooperationspartner im Verbund sind das saarländische Start-Up-Unternehmen MyBiotech aus Überherrn sowie das Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld.

• Verbundvorhaben
• Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Wittmann (Systembiologie)
• Förderzeitraum: 2020–2023

Extremolyte sind kleine Moleküle mit denen sich Mikroorganismen effektiv vor extremen Umweltfaktoren wie Hitze, Kälte, Trockenheit oder Strahlung schützen. Die Substanzen werden dabei von den Mikroben synthetisiert und im Inneren angereichert, wo sie einen Schutzfilm um Eiweiße und andere empfindliche Zellbestandteile bilden und diese stabilisieren. Dies ermöglicht den Kleinstlebewesen ein Leben im Extremen - in der Antarktis, in Geysiren oder Salzseen. Die Entdeckung, dass Extremolyte auch Proteine, Membranen und Gewebe des Menschen stabilisieren, indem sie eine schützende Wasserschicht um diese erzeugen, hat eine Fülle vielversprechender Anwendungsmöglichkeiten dieser Substanzen aus der Natur im Bereich Kosmetik und Medizin eröffnet. Das prominente Extremolyt Ectoin findet sich mittlerweile u. a. in Augentropfen, Inhalalationssprays, Nasentropfen und Cremes.

Leider können die meisten Extremolyte aus der Natur bisher nur unzureichend hergestellt werden, da die natürlichen Produzenten Extrembedingungen zum Wachstum brauchen, dabei auch nur Kleinstmengen der gewünschten Substanzen bilden und deshalb ungeeignet für eine wirtschaftliche Produktion sind. EXTRA zielt daher auf die effiziente Synthese von Extremolyten in neuartigen maßgeschneiderten Zellfabriken ab und deren Weiterentwicklung in Richtung wirtschaftliche Produktion ab.

Dafür bündeln die Arbeitsgruppen von Christoph Wittmann vom Institut für Systembiotechnologie der Saar-Uni und Rolf Müller vom Helmholtz-Zentrum für Pharmazeutische Wissenschaften auf dem Campus erneut ihre Expertisen des Metabolic Engineering und der Synthetischen Biologie. Weitere Kooperationspartner im Verbund sind das saarländische Start-Up-Unternehmen MyBiotech aus Überherrn, welches geeignete Verfahren zur Aufreinigung der teuren Produkte erforschen wird, sowie die Firma bitop aus Dortmund, Weltmarktführer zur Herstellung von Ectoin, die spätere Herstellungsverfahren entwickeln wird.

• Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Becher (AG Quantenoptik)
• Förderzeitraum: 2021–2024

Zur Anbindung von Quantenknoten an Quantennetzwerke müssen die Frequenzen bzw. Wellenlängen von einzelnen Photonen gezielt an den Standard des Kommunikationskanals angepasst werden (Quantenfrequenzkonversion). In dem Projekt HiFi werden Quantenfrequenzkonverter und die zugrundeliegenden Basistechnologien systematisch weiterentwickelt.

Dazu kommt Expertise aus den Bereichen Quantentechnologie, Optik, Laser-, Faser-, Automatisierungs-, Aufbau- und Verbindungs- und Produktionstechnik zusammen. Neben der AG Quantenoptik der Universität des Saarlandes sind noch weitere fünf Partner an dem Vorhaben beteiligt. Geleitet wird es von der Menlo Systems GmbH.

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• Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Wittmann (Systembiologie)
• Förderzeitraum: 2017-2024

Omega-3-Fettsäuren spielen eine wichtige Rolle in unserer Ernährung. Sie fördern die Entwicklung des Gehirns, besonders bei Neugeborenen, verbessern die Durchblutung und schützen die Gelenke. Neue Studien bescheinigen insbesondere Docosapentaensäure (DPA) und Eicosatetraensäure (ETA) eine gesundheitsfördernde Wirkung. Aufgrund der geringen Gehalte kommen herkömmliche Extraktionsverfahren auf Basis von Fischölen nicht für die Gewinnung von n-3 DPA- oder ETA in Betracht. In Zusammenarbeit mit dem saarländischen Biotechnologie-Unternehmen MyBiotech und dem Team von Rolf Müller (Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland) zielt das Projekt auf die Entwicklung eines neuartigen Herstellungsverfahrens für seltene Omega-3-Fettsäuren wie DPA und ETA. Neu entdeckte biochemische Synthesewege sollen die effiziente Herstellung dieser komplexen Moleküle in Mikroorganismen ermöglichen. Das Projekt arbeitet an der Entwicklung maßgeschneiderter Zellfabriken in der nicht-konventionellen Hefe Yarrowia lipolytica zur gezielten Synthese der neuen Produkte sowie an der Entwicklung von Fermentationsprozessen zur Herstellung.

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• Projektleitung: Prof. Dr. Giovanna Morigi (Theoretische Quantenphysik)
• Förderzeitraum: 2022–2025

In dem Projekt sollen Quantenalgorithmen entwickelt werden, die vom Rauschen profitieren. Es soll ein konzeptioneller Rahmen entwickelt werden, in dem Quantenalgorithmen als selbstorganisierender Prozess mit einem Zusammenspiel von Rauschen und kohärenter Quantendynamik verstanden werden.
Das Projekt wird von der Universität des Saarlandes geleitet. Daneben forschen hier noch die Freie Universität Berlin, das Forschungszentrum Jülich, das Deutsche Elektronen-Synchrotron, die Qruise GmbH sowie IBM Research Europe als assoziierter Partner.

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• Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Becher (AG Quantenoptik)
• Förderzeitraum: 2021–2025

Im Vergleich zu klassischen Computern können Quantencomputer komplexe Berechnungen wesentlich effizienter durchführen. Dank dieses Geschwindigkeitsvorteils können Probleme berechenbar werden, die mit klassischen Computern als unlösbar gelten. Für praktische Anwendungen braucht es jedoch Systeme, die mit einer deutlich größeren Anzahl an Quanten-Bits (Qubits) arbeiten können als bisher möglich.

In QPIC-1 soll eine neuartige Plattform für einen Quantencomputer entwickelt werden, bei dem einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Qubits verwendet werden. Dazu braucht es sowohl neuartige Quellen zur Erzeugung von Quantenlicht als auch integrierte photonische Schaltkreise, in denen die Informationsverarbeitung stattfindet. Mit den Arbeiten und Entwicklungen in QPIC-1 sollen Quantencomputer praxistauglich für echte Anwendungen gemacht werden.

Die Projektkoordination hat die Technische Universität München inne. Neben der Universität des Saarlandes arbeiten in dem Verbundvorhaben noch sechs weitere Partner.

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• Projektleitung: Prof. Dr. Jürgen Eschner (AG Quanten-Photonik) & Prof. Dr. Christoph Becher (AG Quantenoptik)
• Förderzeitraum: 2021–2023

In QSync soll mithilfe der Quantentechnologie eine langstreckenfähige Kommunikationsplattform mit synchronisierten Quantenknoten demonstriert werden. Es werden hier zwei Systeme (einzelne Ionen und Farbzentren in Diamant) in einem verlegten Glasfasernetz gekoppelt und entsprechende optische Schnittstellen zur Signalübertragung erforscht.

Die Projektergebnisse ermöglichen die stabile Kopplung verschiedener Kommunikationsknoten im vorhandenen Glasfasernetz. Hierdurch rückt die praktische Anwendung sicherer Kommunikation auf Grundlage quantenphysikalischer Prinzipien in greifbare Nähe.

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• Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Becher (AG Quantenoptik) & Prof. Dr. Jürgen Eschner (AG Quanten-Photonik)
• Förderzeitraum: 2021–2024

Die Quantenkommunikation trägt entscheidend zur sicheren Übertragung von Daten bei. Über weite Strecken stößt die bisherige Quantenkommunikation jedoch an ihre Grenzen. Zur Überwindung dieser Grenzen sind Quantenrepeater notwendig. Neuartige Quantenrepeater sollen in QR.X umgesetzt und unter realen Bedingungen getestet werden. Das Projekt leistet einen essenziellen Beitrag zum Aufbau von Quantenkommunikationsinfrastrukturen zur abhörsicheren Übertragung von Daten. Insgesamt arbeiten hier 25 Einrichtungen aus Deutschland zusammen, darunter Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen.

Die Verbundkoordination liegt bei der Universität des Saarlandes (Christoph Becher).

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• Verbundleiter am Universitätsklinikum des Saarlandes (UKS): Prof. Dr. Michael Zemlin (Allgemeine Pädiatrie und Neonatologie)
• Projektleitung Universität des Saarlandes (UdS): Prof. Dr. Daniel J. Strauss (Systemische Neurowissenschaften und Neurotechnologie)
• Förderzeitraum:  2021–2023

Ziel des „VI-Screen“-Konsortiums ist es, ein Monitoring-System zu entwickeln, das mit kontaktlosen Messverfahren über optische und akustische Sensoren infektiöse Atemwegserkrankungen bei Kindern, Jugendlichen und Erwachsenen diagnostizieren kann. Das Projekt wird in der Förderlinie „Zivile Sicherheit“ des BMBF gefördert. Im Rahmen des Projektes sollen die technischen Voraussetzungen geschaffen werden, um den Eintrag potenziell pandemischer Erreger in Kliniken und andere öffentliche Gebäude zu verhindern.

Hierzu werden in zwei Kliniken des UKS (Allgemeine Pädiatrie und Neonatologie, Innere Medizin V) Messstationen errichtet, um Daten und Probenmaterial von Patienten mit klassischen Symptomen von Atemwegserkrankungen zu sammeln und zu prüfen, inwieweit eine eindeutige Abbildung der kontaktlosen Messdaten auf die Ergebnisse der labordiagnostischen Verfahren möglich ist.

Von den Verbundpartnern (UdS, UKS und Technische Universität Berlin) werden die Sensorplattformen und die Datenverarbeitung entwickelt, Bioproben erhoben und ausgewertet, sowie datenschutzrechtliche sowie ethische Aspekte von Datensammlung, -verarbeitung und -speicherung wissenschaftlich bearbeitet.

• Projektleiter: Christoph Becher (Quantenoptik)
• Förderzeitraum: 2023–2026

Ziel des Projekts „Miniaturisierte Verschränkunsquelle im Telekombereich auf Basis von AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellenleitern (VOMBAT)“ ist es, eine Quelle für verschränkte Photonenpaare zu entwickeln, bei der die benötigte Pumpquelle und die Erzeugung der verschränkten Photonenpaare in einem Chip integriert sind. Für die Erzeugung von Photonen mit Frequenzen, die den verlustarmen Telekommunikation entsprechen, wird eine Photonenpaarquelle auf der Basis des Materialsystems AlGaAs entwickelt und gefertigt. Für die Verteilung der Photonenpaare auf die verschiedenen Empfänger oder Frequenzen, wird erforscht, wie dies möglichst kompakt in einer integrierten photonischen Schaltung erfolgen kann, in welche die chipintegrierte Photonenpaarquelle eingebettet ist. Auch die technologischen Voraussetzungen für eine spätere kommerzielle Verwertung werden un­tersucht. Das Gesamtsystem wird in einer beste­henden Glasfaserstrecke getestet.

Die Projektkoordination hat das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik inne. Neben der Universität des Saarlandes arbeiten in dem Verbundvorhaben noch zwei weitere Partner.

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• Drittmittelgeber: Volkswagen Stiftung
• Projektbeteiligte:
  • Sigrun Smola (Institut für Virologie)
  • Jörn Walter (Genetik und Epigenetik)
  • Rolf Müller (Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS))
•  Förderzeitraum: 2023–2026

Die Reaktivierung einer latenten Virusinfektion stellt eine erhebliche Gefahr für immunsupprimierte Patienten in der Transplantationsmedizin dar. Das BK-Polyomavirus (BKPyV) ist ein noch wenig erforschtes Virus, das bei einer erheblichen Zahl von Empfängern von Nieren- oder allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantaten Nephropathie oder hämorrhagische Zystitis verursacht. Derzeit gibt es keinen Impfstoff, und es werden dringend Medikamente für eine präventive Behandlung benötigt, um Organschäden zu verhindern. Dieses interdisziplinäre Projekt befasst sich mit den größten Herausforderungen, die die Entwicklung von Medikamenten gegen BKPyV bisher behindert haben. Das Projektteam kombiniert auf synergetische Weise spezifisches Fachwissen in der Immun- und Zellbiologie von kleinen DNA-Viren, modernste Genomik und translationale Arzneimittelforschung, um Arzneimittelkandidaten aus einzigartigen Substanzbibliotheken zu identifizieren, die virale Schlüsselprozesse stören. Das Team hat einen neuartigen BKPyV-Replikationstest für das Wirkstoffscreening entwickelt und wird für die präklinische Validierung komplexe humane 3D-Kulturmodelle verwenden, z. B. BKPyV-infizierte Organoide der proximalen Nierentubuli, organotypische 3D-Kulturen mit integrierten Immunzellen und Organ-on-a-Chip-Modelle. Um molekulare Einblicke in die Entwicklung von Arzneimittelresistenzen zu gewinnen und Gegenstrategien zu entwickeln, werden die Forscher innovative BKPyV-spezifische Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation einsetzen, um die genetische Anpassung des Virus und die Evolution im Wirt zu überwachen. Mit diesen kombinierten Ansätzen will das Team sowohl einen unkomplizierten translationalen Ansatz für das Repurposing von Medikamenten bei Transplantationspatienten als auch die Entwicklung völlig neuer Medikamentenklassen gegen BKPyV vorantreiben.