Einreichungen 2020

Grundlagenforschung I

Auswege aus der chronischen Entzündung: Stoffwechselprodukte von Omega-3-Fettsäuren und Vitamin E

Grundlagenforschung
Thema: „Auswege aus der chronischen Entzündung: Stoffwechselprodukte von Omega-3-Fettsäuren und Vitamin E“
Institution: FSU Jena
Forscher: Prof. Dr. Oliver Werz, PD Dr. Andreas Koeberle

Beschreibung des Projektes:

Krebs und Herz-Kreislauferkrankungen sind Todesursachen bei fast 70 % aller Sterbefälle in Deutschland und werden maßgeblich durch chronische Entzündungsprozesse vorangetrieben. Das Problem ist dabei, dass der Körper es nicht schafft, die anhaltende Entzündung aktiv aufzulösen; Arzneimittel stehen hierfür bislang nicht zur Verfügung. Dass Omega-3-Fettsäuren und Vitamin E wichtig für die Gesundheit sind, ist allgemein bekannt. Große Lücken gibt es aber im Verständnis, wie diese Stoffe ihre Wirkung entfalten.

Oliver Werz und Andreas Koeberle fanden heraus, dass im Körper Omega-3-Fettsäuren und Vitamin E in Stoffe umgewandelt werden, die chronische Entzündungen aktiv auflösen. Sie zeigten, dass Bakterien bestimmte Immunzellen – sogenannte Makrophagen – zur Bildung von entzündungsauflösenden Botenstoffen anregen können, was völlig überraschend war. Ebenso unerwartet war, dass die Wirkung von Vitamin E gar nicht auf dem Vitamin selbst, sondern auf der eines körpereigenen Stoffwechselprodukts beruht, welches bereits in geringsten Mengen die Bildung pro-entzündlicher Botenstoffe hemmen und entzündungsauflösender Stoffe fördern kann, was im Sinne eines Schalters die Entzündung beendet. Um diese Stoffwechselprodukte nachweisen zu können, haben die Wissenschaftler spezielle hochsensitive Methoden mittels Massenspektrometrie entwickelt.

Werz und Koeberle, die in der Erforschung innovativer Entzündungshemmer weltweit hoch angesehen sind, führten diese Studien zusammen mit internationalen Forschern aus Frankreich, Italien, und USA (Harvard Universität) durch. Die Erkenntnisse öffnen nun völlig neue Wege für die Entwicklung von Arzneistoffen, um chronischen Entzündungen ein Ende zu setzen.

Grundlagenforschung II

Subnanometermessverfahren höchster Präzision mit zehn Dekaden Messbereich

Grundlagenforschung
Thema: „Subnanometermessverfahren höchster Präzision mit zehn Dekaden Messbereich“
Institution: TU Ilmenau
Forscher: Prof. Dr.-Ing. Eberhard Manske, Prof. Dr.-Ing. Thomas Fröhlich, apl. Prof. Dr.-Ing. Roland Füßl, Dr.-Ing. Uwe Gerhardt, Dr.-Ing. Rostyslav Mastylo, Dipl.-Ing. Ingo Ortlepp, Frau Dipl.-Phys. Ulrike Blumröder, M. Sc. Folker Schwesinger, Dipl.-Ing. Oliver Birli, Dipl.-Ing. Gunter Krapf, Dipl.-Ing. Andreas Meister, Dr.-Ing. Paul Köchert

Beschreibung des Projektes:

„Drei Größenordnungen schaffen eine neue Wissenschaft“ – so beschreibt der Teilchenphysiker Murray Gell-Mann, der Entdecker der Quarks, was Forscher bei ihrer Reise in die Welt des Allerkleinsten erwartet. Und die Welt des Allerkleinsten, das ist für die Nanoforscher das Reich der Moleküle und Atome. Ihre Größenordnung sind Bruchteile von Nanometern – der Atomgitterabstand von Kohlenstoff beträgt 0,246 nm. Im Bereich der Nanotechnologien schickt man sich an, Halbleiterstrukturen mit nahezu atomaren Abmessungen zu produzieren auf Wafern mit hunderten Millimetern Durchmesser. Hierzu benötigt man Subnanometer-Messverfahren höchster Präzision, die gleichzeitig zehn Dekaden Messbereich überstreichen können.

Zu den genauesten Längenmess-Systemen zählen heute Laserinterferometer, wobei der hochgenaue „immaterielle“ Längenmaßstab durch die Laserlichtwellenlänge gebildet wird. Hier haben die Ilmenauer Forscherinnen und Forscher um Prof. Eberhard Manske einen einzigartigen Beitrag geleistet. In nur zwei Jahren Forschungsarbeit ist es ihnen gelungen, die Messunsicherheit dieses Längenmaßstabes, also der Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes, um den enormen Faktor 1000, d. h. um drei Größenordnungen auf 10-12, zu verbessern. Dies erreichten sie, indem sie einen speziellen Laser mittels modernster Frequenzkammtechnologie auf das hochpräzise Signal von GPS Satellitengetragenen Atomuhren geregelt, direkt und dauerhaft auf die Einheit der Sekunde rückgeführt haben. Durch den Anschluss dieser ultragenauen Laserwellenlänge an die ebenfalls an der TU Ilmenau entwickelte Nanopositionier- und Nanomessmaschine sind nun zehn Dekaden überspannende Messungen mit Subnanometerauflösung auf ein Zehntel Atomgitterabstand über 200 mm möglich.

Grundlagenforschung III

Einfluss mikrobieller Kommunikation im Plankton auf globale Stoffkreisläufe

Grundlagenforschung
Thema:
„Einfluss mikrobieller Kommunikation im Plankton auf globale Stoffkreisläufe“
Institution: Fellow des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie Jena
Forscher: Prof. Dr. Henning Schmidgen

Beschreibung des Projektes:

Schwefel findet sich in unterschiedlichen Verbindungen überall auf der Erde: in der Atmosphäre, den Weltmeeren und an Land. All diese Erscheinungsformen sind in einem Kreislauf miteinander verbunden. Das Element wird als Mineral zunächst reduziert und in eine organische Form transferiert, dann von Organismen herumgereicht, bis es schließlich in die Atmosphäre gelangt, dort oxidiert wird und gelöst im Regen auf das Land und in die Meere zurückkehrt. Professor Pohnert und seine Arbeitsgruppe haben gemeinsam mit Kollegen aus den USA in diesem schon lange bekannten Kreislauf eine unerwartete Abkürzung entdeckt und ihre Entdeckung im renommierten Forschungsmagazin Nature publiziert.

Entscheidend sind winzige Organismen im Plankton des Ozeans. Pohnert fand heraus, dass bestimmte einzellige Algen und Bakterien, die als Teil des Planktons im Meer existieren, eine neue chemische Verbindung mit dem komplizierten Namen Dimethylsulfoxoniumpropionat, kurz DMSOP, produzieren. Damit hat er wertvolle Informationen über den globalen Schwefelkreislauf abgeleitet und kann jetzt enorme Mengen im Schwefelfluss neu erklären. Auch wenn eine Mikroalge nur verschwindend kleine Mengen der Verbindung produziert, sind das in der Summe mehrere Teragramm, also mehrere Milliarden Kilogramm pro Jahr. Denn die einzelligen Algen sind in den Weltmeeren ungeheuer aktiv. Mit den Befunden der Jenaer Chemiker lässt sich somit der Schwefelkreislauf der Erde besser nachvollziehen, was wichtige Erkenntnisse für Atmosphären- und Klimamodelle liefert.

Angewandte Forschung I

Künstliche Intelligenz revolutioniert die Pflanzenbestimmung

Angewandte Forschung
Thema:
 „Künstliche Intelligenz revolutioniert die Pflanzenbestimmung“
Institution: TU Ilmenau/Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena
Forscher: Prof. Dr.-Ing. Patrick Mäder, Frau Dr. Jana Wäldchen, Dr. Marco Seeland, Dr. Michael Rzanny, M. Sc. David Boho, Dipl.-Inf. Christian Wittich, Frau M. Sc. Alice Deggelmann, B. Sc. Fabian Nitsche

Beschreibung des Projektes:

Maschinelles Lernen, Citizen Science, Smartphones – all diese hoch-aktuellen Forschungsthemen vereint das Forschungsprojekt „Flora Incognita“ seit fünf Jahren. Unter dem Motto „Künstliche Intelligenz trifft auf Natur“ arbeitet ein interdisziplinäres Team aus den Fachbereichen Botanik, Informatik, Physik und Medienwissenschaften daran, traditionelle Pflanzenbestimmung in das digitale Zeitalter zu überführen. Wer kennt die Situation nicht? Beim Wandern entdecken Sie eine Pflanze, über die Sie gern mehr erfahren würden. Wie heißt die Pflanze, ist sie giftig oder steht sie womöglich unter Naturschutz? Ein Bestimmungsbuch haben Sie entweder nicht dabei oder Sie finden herkömmliche Bestimmungsliteratur zu komplex und aufgrund der Verwendung zahlreicher Fachbegriffe zu schwierig.

Die konsequente Nutzung neuester Ansätze des maschinellen Lernens in Kombination mit der ständigen Verfügbarkeit von mobilen Endgeräten wie Smartphones und Tablets machen es möglich, die Bestimmung von Pflanzen deutlich zu vereinfachen. Die Flora Incognita Forschungsgruppe entwickelte ein Verfahren zur interaktiven, automatischen Pflanzenbestimmung mit Smartphones. Die im Rahmen des Projektes entwickelte Flora Incognita App zeigt eindrücklich, wie einfach heute Pflanzenbestimmung sein kann. Mit der Kamera des Smartphones fotografieren Sie die Blüte, dann gegebenenfalls das Blatt und in Sekundenschnelle erhalten Sie einen Vorschlag zum Namen der Pflanze sowie weiterführende Informationen. Die App erlaubt somit eine leichte und sichere Pflanzenbestimmung für Menschen jeden Alters und jeden Grades an Vorwissen.

Nach Einschätzung von Experten hat die Flora Incognita App das Potential, weitverbreitetes Werkzeug zur Bestimmung und Kartierung der deutschen Flora zu werden. Schulen, Universitäten, Umweltbildungseinrichtungen aber auch Planungsbüros und Umweltbehörden nutzen heute schon diesen Weg der Pflanzenbestimmung. Wissenschaftliche Ergebnisse und insbesondere KI-Methoden wurden somit in die Öffentlichkeit transferiert und erlebbar gemacht.

Angewandte Forschung II

Verzweigte Vinylpolymere als neuartige Additive – Lösungen für Probleme des Kunststoffzeitalters

Angewandte Forschung
Thema:
„Verzweigte Vinylpolymere als neuartige Additive – Lösungen für Probleme des Kunststoffzeitalters“
Institution: TU Ilmenau
Forscher:Prof. Dr. Felix Schacher, Oliver Eckardt, Frau Viktoria Rothleitner

Beschreibung des Projektes:

Im Jahr 2018 wurden in Deutschland laut Geschäftsbericht des PlasticsEurope Deutschland e.V. 19,3 Mio. Tonnen Kunststoff produziert. Etwa zwei Drittel dieser Kunststoffe sind vinylbasiert und kaum ein Produkt kommt bei der Verarbeitung ohne Additive aus. Diese helfen bei einer effizienten Herstellung, steuern Viskosität bzw. Fließfähigkeit, bringen Farbpigmente ein, erhöhen die UVBeständigkeit oder beeinflussen weitere Eigenschaften des Kunststoffes. Dem Team der FSU Jena ist es gelungen, neuartige Additive auf Basis verzweigter Vinylpolymere zu entwickeln, welche die Verarbeitung sowie die Eigenschaften von Kunststoffen beeinflussen können.

Durch den Einsatz verzweigter Polymere in Kunstharzen kann der Polymerisationsschrumpf während der Verfestigung reduziert werden – und das bei Erhalt der Fließfähigkeit. In Kunststoffmischungen erhöhen die zugemischten Additive die Elastizität, was sie zu einer Alternative zu herkömmlichen Weichmachern macht. Auf Grund der hochmolekularen Struktur verzweigter Polymere sind diese weniger flüchtig, immobil im Kunststoff und gesundheitlich unbedenklich. Über diese Anwendungen hinaus können diese neuartigen Additive auch in den Bereichen von 3D-Druck, Lacken, Klebstoffen und Druckertinten Einsatz finden. Motiviert durch das große Marktpotential plant das Forscherteam die Gründung eines Start-Ups, der „Polytives GmbH“.