Mensch­li­che Gehirne und visuell gesteu­erte Roboter benöti­gen eine inten­sive Rechen­leis­tung, um visuelle Muster in verschie­de­nen Kontex­ten und Varia­tio­nen zu erken­nen. Insek­ten wie das Tauben­schwänz­chen nutzen ebenfalls diese invari­ante Muster­er­ken­nung, um anhand von Blüten­mus­tern geeig­nete Nahrungs­pflan­zen auszu­wäh­len – und das mit nur einem Bruch­teil der "Rechen­leis­tung". Um zu verste­hen, wie diese Effizi­enz möglich ist, werden wir verhal­tens­ba­sierte und neuro­nale Metho­den einset­zen, um die algorith­mi­sche Grund­lage der Muster­er­ken­nung bei Insek­ten aufzudecken.

In einer Raumzeit gibt es eine Zeit- und mehrere Raumdi­men­sio­nen. In der für uns erleb­ba­ren Welt gibt es genau drei Raumdi­men­sio­nen. Nun spricht in der Diffe­ren­ti­al­geo­me­trie nichts dagegen, auch Mannig­fal­tig­kei­ten mit mehre­ren Zeitdi­men­sio­nen zu betrach­ten. In diesem Projekt geht es um algebra­ische Struk­tu­ren, insbe­son­dere die Gruppe SO(p,q), die die Dynami­ken und die Geome­trie von solchen sogenann­ten pseudo-Riemann­schen hyper­bo­li­schen Räumen mit mindes­tens einer Zeitdi­men­sion beschreiben.

Trotz umfas­sen­der Forschung im Bereich der perso­na­li­sier­ten Medizin schaf­fen nach wie vor vielver­spre­chende perso­na­li­sierte Thera­pien nicht die Trans­la­tion in die klini­sche Praxis. In meinem Promo­ti­ons­pro­jekt möchte ich durch die Kombi­na­tion von mecha­nis­ti­scher Model­lie­rung und experi­men­tel­len Metho­den ein Signal­weg-Modell erstel­len, das die Wirkun­gen poten­zi­el­ler Thera­pien vorher­sagt, um damit ideale Krite­rien für eine erleich­terte Trans­la­tion der Forschung zum Patien­ten zu erfüllen.

Einzelne magne­ti­sche Moleküle können als Bausteine für neue künst­li­che Spin-Systeme verwen­det werden, welche für die Quanten­in­for­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung inter­es­sant sind. Wir verwen­den Raster­tun­nel­mi­kro­sko­pie (RTM) in Kombi­na­tion mit Elektro­nen­spin­re­so­nanz (ESR) um solche Spin-Systeme auf einer Oberflä­che zu konstru­ie­ren und zu unter­su­chen. Dies ermög­licht die Unter­su­chung grund­le­gen­der Spin-Eigen­schaf­ten auf atoma­rer Skala und das Erfor­schen magne­ti­scher Phäno­mene in Multi-Spin-Systemen.

In Zusam­men­ar­beit mit dem LV Prasad Eye Insti­tute unter­su­chen wir die Wieder­her­stel­lung der Sehkraft bei Perso­nen, die aufgrund von Katarak­ten vorüber­ge­hend erblin­det sind, um die neuro­na­len Mecha­nis­men sensi­bler Phasen der Gehirn­ent­wick­lung zu erfor­schen. Genauer gesagt unter­su­chen wir höhere korti­kale Reprä­sen­ta­tio­nen und ob und wie sie entste­hen, wenn der visuelle Input verzö­gert eintrifft, z. B. nicht vor der Mitte der Kindheit. Das vorlie­gende Disser­ta­ti­ons­pro­jekt wird sich auf Objekt­re­prä­sen­ta­tio­nen konzen­trie­ren und darauf, wie diese im Zusam­men­spiel mit anderen visuel­len Berei­chen entste­hen. Wir erwar­ten ein besse­res Verständ­nis dafür, wie frühe Erfah­run­gen die Konnek­ti­vi­tät des Gehirns im Erwach­se­nen­al­ter prägen.

Die Alzhei­mer-Krank­heit (AD) hat eine multi­fak­to­ri­elle Ätiolo­gie, die unter anderem eine vasku­läre Dysfunk­tion und eine aberrante Neuro­im­mu­ni­tät umfasst. Unser Ziel ist es, das Gen ABI3 als mögli­che Verbin­dung zwischen diesen beiden Aspek­ten der Alzhei­mer-Patho­phy­sio­lo­gie zu unter­su­chen. Mithilfe trans­ge­ner Mausmo­delle und einer Kombi­na­tion aus bioche­mi­schen, immun­hi­s­to­che­mi­schen und In-vivo-Bildge­bungs­ver­fah­ren werden wir unter­su­chen, wie sich die AD-Risiko­va­ri­ante S209F ABI3 auf die Neuro­de­ge­nera­tion, die Immun­kom­pe­tenz und die Gefäß­dy­na­mik auswirkt.

Seltene geneti­sche Störun­gen führen zu einer unzurei­chen­den Produk­tion von Blutzel­len, die häufig tödlich verlau­fen und am häufigs­ten bei Klein­kin­dern auftre­ten. Diese Krank­hei­ten sind in erster Linie monogen, d. h., sie werden durch den Funkti­ons­ver­lust eines einzi­gen Gens verur­sacht. Um die Auswir­kun­gen dieses Funkti­ons­ver­lus­tes zu unter­su­chen, wird in meinem Projekt versucht, ihn außer­halb des mensch­li­chen Körpers nachzu­ah­men, und zwar in mensch­li­chen Knochen­mark­or­ga­no­iden (BMOs). Durch die Unter­su­chung von BMOs sollen kriti­sche Fakto­ren identi­fi­ziert werden, die zum Versa­gen des Knochen­marks beitra­gen, und diese Infor­ma­tio­nen schließ­lich zur Entwick­lung neuer diagnos­ti­scher Metho­den genutzt werden.

Stern­hau­fen galten lange als Objekte, deren Sterne alle das gleiche Alter und die gleichen chemi­schen Häufig­kei­ten haben. Die überra­schende Entde­ckung multi­pler Stern­po­pu­la­tio­nen in Stern­hau­fen ist bislang unerklärt. Anhand von schnell rotie­ren­den masse­rei­chen Emissi­ons­li­ni­en­ster­nen werde ich unter­su­chen, ob rotati­ons­be­dingte Durch­mi­schung eine plausi­ble Ursache sein könnte. Außer­dem werde ich prüfen, ob gewisse leichte Elemente tatsäch­lich brauch­bare Anzei­ger multi­pler Popula­tio­nen sind.

DNA-Nanoröhr­chen werden in der synthe­ti­schen Bottom-up Biolo­gie häufig als Nachah­mung von Zytoske­lett­fi­la­men­ten verwen­det. Mit Hilfe eines synthe­ti­schen starPEG-Konstrukts, das als Vernet­zer fungiert, gelingt es uns, die nur wenige Nanome­ter dicken DNA-Nanoröhr­chen zu bündeln. In der Masse organi­sie­ren sie sich selbst zu Ringen im Mikro­me­ter­be­reich. Wir errei­chen, dass sie sich bei Tempe­ra­tur­er­hö­hung oder in Anwesen­heit von Verdrän­ger­mo­le­kü­len wie Dextran zusam­men­zie­hen (in Zusam­men­ar­beit mit der Gruppe Kierfeld, TU Dortmund).

Galaxien sind von einer mannig­fal­ti­gen und komple­xen Atmosphäre umgeben – dem zirkum­ga­lak­ti­schen Medium (CGM). Um ein selbst­kon­sis­ten­tes Modell für die Entwick­lung von Galaxien entwi­ckeln zu können ist es unabding­bar, dass wir die Prozesse verste­hen, die im CGM ablau­fen. Aus diesem Grund wollen wir mit Hilfe von numeri­schen Simula­tio­nen das Gas inner­halb von Galaxien­hau­fen unter­su­chen und ungeklär­ten Fragen auf den Grund gehen. Wir werden die bereits existie­rende kosmo­lo­gi­sche, state-of-the-art Simula­tion Illus­trisTNG analy­sie­ren und des weite­ren neue Arten von Simula­tio­nen entwickeln.

Die meisten Tiere weisen eine bilate­rale Symme­trie auf, aber auch asymme­tri­sche Merkmale haben sich wieder­holt in verschie­de­nen taxono­mi­schen Gruppen entwi­ckelt. Aller­dings sind die geneti­schen Mecha­nis­men, welche zu solchen Varia­tio­nen von asymme­tri­schen Merkma­len führen, immer noch unklar. Wir werden den schup­pen­fres­sen­den Fisch, Peris­so­dus micro­l­epis, verwen­den, um die geneti­schen Grund­la­gen der außer­ge­wöhn­li­chen morpho­lo­gi­schen und verhal­tens­be­zo­ge­nen Asymme­trie zu analy­sie­ren. Diese Studie wird wichtige Einbli­cke in das mecha­nis­ti­sche Funda­ment von asymme­tri­schen Entwick­lun­gen und den Ursprung evolu­tio­nä­rer Neuar­tig­keit liefern.

Stark emotio­nale Erinne­run­gen werden separat verar­bei­tet. Bei negati­ven Erfah­run­gen kann das zu maladap­ti­ver Gedächt­nis­bil­dung führen, die affek­tive Störun­gen begüns­ti­gen kann. Dieses Projekt soll unser Verständ­nis adapti­ver und maladap­ti­ver Gedächt­nis­pro­zesse verbes­sern. Wir werden Gehirn­ak­ti­vi­tät bei Aufga­ben analy­sie­ren, die maladap­tive Gedächt­nis­sym­ptome imitie­ren. Dadurch hoffen wir, Ansatz­punkte für Behand­lun­gen zu finden, die maladap­tive Gedächt­nis­pro­zesse hemmen.

Ziel der Studie ist die Analyse und Kartie­rung der Zytoar­chi­tek­tur des mensch­li­chen Hypotha­la­mus in histo­lo­gi­schen Schnit­ten von 10 postmor­ta­len Gehir­nen. Als Ergeb­nis wollen wir ein hochauf­ge­lös­tes histo­lo­gi­sches 3D-Modell des Hypotha­la­mus und seiner Kerne als Grund­lage zur Unter­su­chung von Struk­tur-Funkti­ons-Bezie­hun­gen sowie proba­bi­lis­ti­sche zytoar­chi­tek­to­ni­sche Karten, die die inter­in­di­vi­du­elle Varia­bi­li­tät der Hypotha­la­mus­kerne in Bezug auf Größe und Lage im Referenz­raum wider­spie­geln, erarbeiten.

Die Fähig­keit nicht-resis­ten­ter bakte­ri­el­ler Erreger, Antibio­tika während einer Infek­tion zu überle­ben (Toleranz) trägt nicht nur zum weltwei­ten Anstieg der Antibio­ti­ka­re­sis­tenz, sondern auch zum chroni­schen Rückfall von Infek­tio­nen bei. Ziel des Projekts ist es zu verste­hen, was nach einer Antibio­tika-Behand­lung zur bakte­ri­el­len Wieder­be­le­bung beiträgt und welche biolo­gi­schen Wege zugrunde liegen. Die Ergeb­nisse dieses Projekts werden zu besser infor­mier­ten Entschei­dun­gen über die Auswahl von Antibio­tika zur Behand­lung von Infek­tio­nen und zur Vorbeu­gung von Rückfäl­len beitragen.

Viren sind die an den häufigs­ten vorkom­men­den biolo­gi­schen Einhei­ten auf der Erde. Obwohl sie Mitglie­der der drei Lebens­be­rei­che infizie­ren, ist nur wenig über den Infek­ti­ons­me­cha­nis­mus von Archaeen Viren bekannt. Ziel dieser Forschung ist es, Einbli­cke in die Wechsel­wir­kun­gen zwischen halophi­ler archaealer Zellen und ihren Viren zu gewin­nen mittels der Kombi­na­tion mikro­sko­pi­scher, moleku­lar­bio­lo­gi­schen und virolo­gi­schen Techniken.

Carbon-Nanotube (CNT) Resona­to­ren werden designt und herge­stellt, um deren Eigen­schaf­ten als Sensor zu nutzen. Wir werden einen Einzel­mo­le­kül­ma­gne­ten (SMM) auf einem CNT-Resona­tor aufbrin­gen, um dessen Spinzu­stände über die mecha­ni­schen Oszil­la­tio­nen im CNT zu verän­dern. Mit diesem nanome­cha­ni­schen Ansatz lassen sich Einzel­mo­le­kül­ma­gnete unter­su­chen mit der Möglich­keit, diese in zukünf­ti­gen Quanten­tech­no­lo­gien einzusetzen.

Dank moder­ner Techno­lo­gie ist es heutzu­tage möglich, Geräte zu bauen, die quanten­me­cha­ni­sche Objekte aktiv manipu­lie­ren. Die Verwen­dung von Quanten­ob­jek­ten als Infor­ma­ti­ons­trä­ger hat viele wichtige Auswir­kun­gen auf die zukünf­tige Kommu­ni­ka­tion, da Quanten­in­for­ma­tio­nen genutzt werden können, um perfekte Sicher­heit zu errei­chen und die Effizi­enz von Kommu­ni­ka­ti­ons­net­zen zu steigern. Dieses Forschungs­pro­jekt konzen­triert sich auf die Entwick­lung siche­rer und anony­mer Quanten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­to­kolle, um ein zukünf­ti­ges Quanten­in­ter­net zu entwickeln.

Der Nachweis von Gravi­ta­ti­ons­wel­len (GW) hat ein neues Fenster zum Univer­sum geöff­net, durch das wir die Physik der Verschmel­zung von Schwar­zen Löchern und Neutro­nen­ster­nen studie­ren können. Durch die Analyse von GW können wir auf Eigen­schaf­ten der entspre­chen­den astro­phy­si­ka­li­schen Systeme schlie­ßen. Die derzei­ti­gen Analy­se­me­tho­den sind jedoch rechne­risch zu teuer, um mit der wachsen­den Daten­menge umgehen zu können. Meine Forschung befasst sich daher mit der Entwick­lung effizi­en­ter Metho­den des maschi­nel­len Lernens für die GW-Analyse.

Landsen­kung und Grund­was­ser­ver­sal­zung sind existenz­be­dro­hende Umwelt­ver­än­de­run­gen im Mekong Delta (MD). Ihr Ursprung und die Prozess­dy­na­mik sind noch nicht vollstän­dig geklärt. Durch innova­tive Messtech­nik, Feld- und Labor­ver­su­che sowie numeri­sche Model­lie­rung wird ein umfas­sen­des Prozess­ver­ständ­nis erarbei­tet und die Wirksam­keit mögli­cher Gegen­maß­nah­men unter­sucht. Die gewon­nen Erkennt­nisse sind Grund­lage für nachhal­tige Wasser­res­sour­cen­nut­zun­gen im MD und anderen Delta­ge­bie­ten weltweit.

Die Diffe­ren­zie­rung und Funktion von T‑Zellen wird durch zahlrei­che zellu­läre Prozesse wie beispiels­weise den Zellstoff­wech­sel streng reguliert, wobei dieser durch Mutatio­nen in der mitochon­dria­len DNA (mtDNA) erheb­lich beein­träch­tigt werden kann. Die genauen Auswir­kun­gen der mtDNA-Mutati­ons­last auf die Diffe­ren­zie­rung und funktio­nelle Hetero­ge­ni­tät von T‑Zellen bleiben jedoch weitest­ge­hend unver­stan­den. Ziel dieses Projekts ist es, mtDNA Mutati­ons­pro­file und deren Konse­quen­zen in humanen T‑Zellen mit Hilfe von single-cell multi-omics Techno­lo­gien zu charakterisieren.

Anello­vi­ren sind eine weitver­brei­tete Virus­fa­mi­lie, welche Menschen und Wirbel­tiere infizie­ren. Ihre Rolle in der Entste­hung von Krank­hei­ten ist noch unklar. Wir nehmen an, dass während lebens­lan­ger, andau­ern­der Infek­tion ein Ungleich­ge­wicht in der viralen Popula­tion die Entwick­lung und das Voran­schrei­ten von Krank­hei­ten begüns­ti­gen kann. Unser Ziel ist eine umfas­sende Beschrei­bung des viralen Spektrums in gesun­den und erkrank­ten Geweben mittels highth­rough­put Scree­ning von Sequen­zier­da­ten und die damit verbun­dene Identi­fi­zie­rung von Virus­ar­ten mit hohem patho­ge­nem Potential.

Die Absorp­tion und Emission von Strah­lung durch Quanten­emit­ter stellt das zentrale Paradigma der Quanten­op­tik dar. Wenn eine starke Kopplung zwischen einem Emitter und seiner Umgebung herrscht, können faszi­nie­rende Strah­lungs­ef­fekte reali­siert werden, wie eine gerich­tete Emission oder modifi­zierte Zerfalls­ra­ten. In diesem Projekt sollen derar­tige Effekte in einem System ultra­kal­ter Atome in optischen Gittern unter­sucht werden, die Materie­wel­len anstelle von optischer Strah­lung emittieren.

Dieses Projekt konzen­triert sich auf die Synthese neuer helikal-chira­ler Verbin­dun­gen, die Diarylborol‑, Arsol‑, und Stibo­lein­hei­ten enthal­ten. Ziel des Forschungs­vor­ha­bens ist es, Materia­lien mit verbes­ser­ten optischen und elektro­ni­schen Eigen­schaf­ten zu erhal­ten, indem helikale Chromo­phore über Bor als Spiroatom verbun­den werden. Weiter­hin könnten arsen- oder antimon­hal­tige Helicene als Ligan­den in der aysmme­tri­schen Katalyse Verwen­dung finden, da sie im Vergleich zu den verbrei­te­ten Phospha­nen eine höhere Stabi­li­tät gegen­über Oxida­tion aufweisen.

Seltene Erkran­kun­gen betref­fen alleine in der EU schät­zungs­weise 30 Millio­nen Menschen, darun­ter auch zahlrei­che Kinder. Vielen dieser insge­samt etwa 6.000 bis 8.000 Erkran­kun­gen liegt eine Fehlfunk­tion eines einzel­nen Gens zugrunde. Im Rahmen dieses Projekts unter Super­vi­sion von Prof. Dr. Chris­toph Klein möchten wir mit Hilfe moder­ner Scree­ning-Verfah­ren geneti­sche Wechsel­wir­kun­gen identi­fi­zie­ren, die den Effek­ten krank­heits­aus­lö­sen­der Mutatio­nen entge­gen­wir­ken und so den Weg hin zur Entwick­lung zielge­rich­te­ter Thera­pien ebnen.

Die meisten moder­nen Medika­mente basie­ren auf der Einhän­dig­keit eines chira­len Moleküls (ein Enantio­mer). In vielen Fällen, je nach Händig­keit des Enantio­mers, kann das Medika­ment entwe­der positive oder schäd­li­che Wirkun­gen haben, daher ist es wünschens­wert, die Händig­keit feststel­len zu können. Die Spektro­sko­pie des Zirku­lar­dichro­is­mus (CD) kann aufgrund der unter­schied­li­chen Absorp­tion von zirku­lar polari­sier­tem Licht zwischen der Händig­keit unter­schei­den, leidet aber unter schwa­chen Signa­len; daher ist ein Verfah­ren zur Verbes­se­rung des Signals erwünscht.

In diesem Projekt wird ein innova­ti­ves Quanten­gas-Mikro­skop entwi­ckelt, welches mit Hilfe von optischen Pinzet­ten neutrale Stron­tium Atome zu konfi­gu­rier­ba­ren und defekt-freien Anord­nun­gen sortiert. Dies erlaubt eine schnelle Initia­li­sie­rung und dient als Ausgangs­punkt für die analoge Simula­tion von Quanten-Vielteil­chen­sys­te­men und als Qubit-Regis­ter für digita­les Quanten­com­pu­ting. Durch Ausnut­zung von Rydberg-Wechsel­wir­kun­gen können Spin-Modelle simuliert und Quanten­gat­ter imple­men­tiert werden.

SARS-CoV‑2 hat eine Pande­mie ausge­löst und ist für mehr als 18 Millio­nen Infek­tio­nen verant­wort­lich. Es wird vermu­tet, dass COVID-19 das Ergeb­nis des Abster­bens infizier­ter Zellen und einer exzes­si­ven Aktivie­rung des Immun­sys­tems ist. Um Zellty­pen und Signal­wege zu identi­fi­zie­ren, die zur Patho­ge­nese oder viralen Repli­ka­tion beitra­gen, werde ich Transkrip­tom­ana­ly­sen und funktio­nelle Unter­su­chun­gen ausge­wähl­ter Gene vorneh­men. Diese Arbeit könnte zu der Entwick­lung neuer Thera­pien beitragen.

Das Projekt unter­sucht die Struk­tur und Rolle von amorphen Kohlen­stoff, der durch metha­no­ge­nen und Methan-oxidie­ren­den Archaeen gebil­de­ten wird, sowie die moleku­la­ren Mecha­nis­men, die zur Bildung dieses als Bioma­te­rial unbekann­ten Stoffes beitra­gen. Dau werden biophy­si­ka­li­sche Ansätze genutzt, um die Rolle der Struk­tu­ren aufzu­lö­sen, und geneti­sche Metho­den, um die zur bioge­nen Bildung dieser Verbin­dung benötig­ten Gene und Prote­ine zu identi­fi­zie­ren. Das Projekt wird betreut von Hector Fellow Antje Boetius.