Forschungsprojekte im Bereich BioMed

• 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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• Projektleitung: Prof. Dr. Christoph Wittmann (Systembiotechnologie)
• Förderzeitraum: 2024-2026

Mit dem Projekt FUMBIO adressieren wir den steigenden Bedarf an biobasierten chemischen Produkten mit gutem Ökoprofil durch die Entwicklung einer neuen, nachhaltigen "Fumarat-Wertschöpfungskette".

Basierend auf Fermentation soll diese die chemische Synthese von Fumarat aus fossilen Rohstoffen ersetzen. Das neue Verfahren verwendet dabei zwei Hauptausgangsstoffe: CO2, das aus chemischen Prozessen gewonnen wird, und Zucker (z. B. Glukose), der von Pflanzen wiederum aus CO2 erzeugt wird. So ist der zu erwartende CO₂-Fußabdruck von Fumarat und weiteren nachgelagerten Produkten im Vergleich zu den auf Petrochemie basierenden Standardverfahren deutlich geringer oder sogar negativ. Des Weiteren werden wir biokatalytische Wege entwickeln, um das Fermentations-basierte Fumarat weiter zur Herstellung von biologisch abbaubaren Chemikalien einzusetzen, wie z. B. Komplexbildnern und Polymeren. Beides sind großvolumige Produktgruppen (>200 kt/Jahr), so dass hier ein bedeutendes Potential zur Nachhaltigkeitsverbesserung erzeugt wird.

Mit FUMBIO wollen wir die komplette Wertschöpfungskette von den Rohstoffen bis zum Endprodukt aufzeigen sowie die Umweltauswirkungen und den CO2-Fußabdruck im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse bewerten. Das Konsortium aus Experten aus den Bereichen Metabolic Engineering, Systembiotechnologie, Biochemie, Bioprozessentwicklung und Lebenszyklusanalyse (Philipps-Universität Marburg, Universität des Saarlandes, Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, BASF) verfügt über alle erforderlichen Werkzeuge und Know-how zur Erreichung der skizzierten Ziele. Wir erwarten kurze Entwicklungszeiten, eine hohe technische Erfolgswahrscheinlichkeit trotz signifikanter Notwendigkeit zur Innovation, Wettbewerbsfähigkeit und hohe Nachhaltigkeit als Basis für die erfolgreiche kommerzielle Umsetzung.

• 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. Christoph Becher (AG Quantenoptik)
• Förderzeitraum: 2025–2027

Quantenkommunikation ist eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Sicherheit in der Datenübertragung. Sie kann sowohl vor Attacken mittels moderner Computer als auch durch leistungsstarke Quantencomputer schützen. Dies wird möglich, da fundamentale physikalische Prinzipien die Sicherheit ausgetauschter Schlüssel garantieren. Für eine quantengesicherte Kommunikation über längere Distanzen werden sogenannte Quantenrepeater gebraucht. Diese können Quantenzustände sicher speichern und weiterverteilen.

Im Projekt "QR.N" planen die Verbundpartner, erstmalig Quantenrepeater-Strecken mit mehr als zwei Knoten zu demonstrieren und parallele Quantenkanäle unter Verwendung von Multiplexing einzurichten. Dazu entwickeln die Forschenden nicht nur Basiskomponenten für Quantenrepeater weiter, sondern erforschen auch deren Einsatz auf Teststrecken außerhalb universitärer Labore. Es soll ein Quantenvorteil bei der Übertragung erzielt und Fehlerkorrektur für leistungsstarke Quantenrepeater implementiert werden. Die im Projekt entwickelte Hardware basiert auf verschiedenen physikalischen Systemen: Atomen und Ionen, Halbleiter-Quantenpunkten und Farbzentren in Diamant. Diese werden um weitere Systeme für Quantenspeicher, beispielsweise Selten-Erd-Ionen ergänzt. Durch eine hybride Kombination der Hardware-Systeme und mit dem Einsatz systemübergreifender Protokolle sollen hardware-unabhängige Quantenrepeater entwickelt werden.

Quantenrepeater sind eine wesentliche Schlüsselkomponente für künftige Quantennetzwerke. Mögliche Anwendungsfelder liegen zunächst in der quantensicheren Kommunikation, beispielsweise beim Schutz kritischer Infrastrukturen oder in der Behördenkommunikation. Perspektivisch können Quantenrepeater langreichweitige Quantennetze mit verschränkten Quantenzuständen ermöglichen bis hin zu europaweiten Dimensionen mit vielfältigen neuartigen Einsatzbereichen wie beispielsweise verteiltem Quantenrechnen.

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• 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
• Projektleitung: Prof. Dr. Sigrun Smola (Institut für Virologie)
• Projektbeteiligte:
  • Prof. Dr. Jörn Walter (Genetik und Epigenetik)
  • Prof. Dr. 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.

• Drittmittelgeber: Wilhelm Sander Stiftung
• Projektleitung: Prof. Dr. Markus Hoth (Biophysik)
• Förderzeitraum: 2024-2026

Die Erstlinientherapie des diffusen großzelligen B-Zell-Lymphoms (DLBCL) ist eine kombinierte Verabreichung verschiedener Antikörper und einer Polychemotherapie (R-CHOP, Pola-R-CHP). Natürliche Killerzellen (NK) spielen eine Schlüsselrolle als Hauptvermittler der Rituximab (R)-vermittelten Zytotoxizität. Die zytotoxische Effizienz von NK-Zellen hängt von intrazellulären Kalziumsignalen ab, die durch Orai/CRAC-Kalziumkanäle vermittelt werden.

Wir haben ein Kalzium-Optimum für die Zytotoxizität gefunden, wobei niedrigere und interessanterweise auch höhere Kalziumsignale weniger effizient sind. Um die Kalziumsignale und die zytotoxische Effizienz einzelner NK-Zellen während der apoptotischen oder nekrotischen Abtötung einzelner Lymphomzellen parallel zu analysieren, haben wir Einzelzell-Zytotoxizitätstests mit hoher Auflösung und automatisierter Analyse entwickelt.

Unser Projekt zielt darauf ab, zu analysieren, ob und wie die Kalzium-Signalübertragung in NK-Zellen die Effizienz der seriellen Abtötung von Lymphomzellen in Gegenwart von R-CHOP oder Pola-R-CHP beeinflusst. Wir wollen verstehen, ob eine gezielte Modulation der Kalzium-Signalübertragung in NK-Zellen, z. B. durch Orai-Kanalblocker, einen therapeutischen Vorteil für die Behandlung von DLBCL haben könnte und ob Kalziumkanäle und Kalzium-Signalübertragung ein Target für die Lymphomtherapie darstellen könnten.