Schon lange vermuten Wissen\u00adschaft\u00adler*innen, dass Quanteneffekte auch f\u00fcr die Funktion und Effizienz von biologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen \u2013 allerdings lie\u00df sich dies lange Zeit nicht eindeutig nachweisen. Neue experimentelle Verfahren und moderne Computersysteme erm\u00f6glichen nun grundlegend neue Erkenntnisse in der Quantenbiologie. Im Rahmen des Programms \u201eNEXT \u2013 Quantum Biology\u201c f\u00f6rdert die VolkswagenStiftung daher innovative Forschungsprojekte, in denen Wissen\u00adschaft\u00adler*innen neue theoretische Modelle und experimentelle Techniken entwickeln, die Quanteneffekte nachweisen und ihre Mechanismen aufkl\u00e4ren k\u00f6nnen. F\u00fcr die F\u00f6rderung wurden auch ein Projekt unter Leitung der TU Dortmund sowie ein Projekt mit Beteiligung von TU-Wis\u00adsen\u00adschaft\u00adler*innen ausgew\u00e4hlt.<\/p>\n
Quanteneffekte in der Photosynthese<\/strong><\/p>\n Prof. Thorben Cordes von der Fakult\u00e4t f\u00fcr Chemie und Chemische Biologie (CCB) der TU Dortmund leitet das neue Verbundprojekt \u201eLong-lived coherent trapping of photosynthesis energy in phytoplankton Phycobilisome\u201c. In Zusammenarbeit mit Amelie Heuer-Jungemann, Professorin f\u00fcr Hybrid Bionanosystems an der Fakult\u00e4t CCB und Mitglied des Research Centers One Health Ruhr der Universit\u00e4tsallianz Ruhr, sowie Prof. Erik Gauger der Heriot-Watt University und Prof. Eitan Lerner der Hebr\u00e4ischen Universit\u00e4t Jerusalem wird das Team die Rolle von quantenmechanischen Effekten bei der Energie\u00fcbertragung in Photosynthesekomplexen von Cyanobakterien und Rotalgen untersuchen. In diesen Organismen regt Sonnenlicht farbige Pigmente an, die in komplexen Strukturen angeordnet sind, den sogenannten Phycobilisomen. Diese antennenartigen Strukturen kanalisieren die Energie aus dem Sonnenlicht \u00fcber gro\u00dfe Distanzen zu einem Reaktionszentrum, in dem die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird.<\/p>\n \u201eDas neue Projekt entstand durch den Zufallsbefund einer Messsignatur, die wir erst als Artefakt abgestempelt haben\u201c, sagt Prof. Cordes. Nach weiteren Untersuchungen, f\u00fcr die sich insbesondere Prof. Eitan Lerner einsetzte, konnte das internationale Team in ersten Experimenten nachweisen, dass die spektroskopische Signatur der Zellen nur durch quantenmechanische Konzepte erkl\u00e4rbar ist. Mit diesen Ergebnissen \u00fcberzeugte das Projektteam erfolgreich die interdisziplin\u00e4re Fachjury der Stiftung. Um die Mechanismen hinter diesem Ph\u00e4nomen zu verstehen, wollen die Forschenden nun biochemische und spektroskopische Methoden kombinieren und die Energie\u00fcbertragung mithilfe von quantenmechanischen Simulationen beschreiben.<\/p>\n An der TU Dortmund will die Forschungs\u00adgruppe von Prof. Cordes dazu die ultraschnelle Pump-Probe-Spektroskopie so erweitern, dass sowohl in Zellen als auch in isolierten Phycobilisomen die Geschwindigkeit des Transportprozesses gemessen werden kann. Prof. Heuer-Jungemann und ihr Team werden anschlie\u00dfend DNA-Origami nutzen, bei dem DNA-Str\u00e4nge gezielt in dreidimensionale mikroskopische Strukturen \u201egefaltet\u201c werden k\u00f6nnen, um das biologische System nachzubauen und so einen besseren Vergleich mit theoretischen Modellen zu erm\u00f6glichen. Das Verbundprojekt wird mit insgesamt fast 2 Millionen Euro gef\u00f6rdert, wovon die Forschungsgruppen an der TU Dortmund rund 1,1 Millionen Euro erhalten.<\/p>\n Magnetische Orientierung mithilfe von Quantenmechanik<\/strong><\/p>\n Das zweite von der VolkswagenStiftung gef\u00f6rderte Projekt, an dem unter anderem Prof. Igor Schapiro von der Fakult\u00e4t f\u00fcr Physik der TU Dortmund und dem UA Ruhr Research Center Chemical Science and Sustainability, beteiligt ist, soll erkl\u00e4ren, wie V\u00f6gel und Insekten das Erdmagnetfeld zur Navigation nutzen. Die Idee ist, dass diesem Mechanismus ein Quanteneffekt zugrunde liegt, der in einem Protein namens Opsin in den Augen der Tiere auftritt. Wird dieses lichtempfindliche Pigment durch UV-Licht angeregt, kann es in einen sogenannten Triplett-Zustand \u00fcbergehen, der empfindlich auf Magnetfelder reagiert. In diesem Zustand kann das Erdmagnetfeld einen quantenmechanischen Effekt erzeugen, der gespeichert wird. Wenn das Protein in den Ausgangszustand zur\u00fcckkehrt, kann diese Information chemische Prozesse im Auge beeinflussen. Diese l\u00f6sen wiederum neuronale Signale aus, die den Tieren eine magnetische Orientierung erm\u00f6glichen k\u00f6nnten.<\/p>\n Zur experimentellen \u00dcberpr\u00fcfung setzt das internationale Forschungsteam eine Kombination aus Theorie und Experiment ein: Die Arbeitsgruppe von Prof. Schapiro wird dabei Multiskalensimulationen verwenden, um den Mechanismus zu verstehen. Die Vorhersagen werden experimentell durch ultraschnelle Spektroskopie validiert.<\/p>\n An dem Projekt unter der Leitung der Universit\u00e4t Hamburg sind neben der TU Dortmund auch die R\u00f6ntgenlaser-Forschungseinrichtung European XFEL sowie die Universit\u00e4t Haifa und die Hebr\u00e4ische Universit\u00e4t Jerusalem beteiligt. Von der Gesamtf\u00f6rdersumme von knapp 2 Millionen Euro gehen rund 413.600 Euro an die TU Dortmund.<\/p>\n