Zwölf innovative und mutige Forschungsprojekte gefördert

Identifikation von Mikroplastik mit Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie

Antragstellerin: Dr. Marina Gerhard

Institution: Philipps-Universität Marburg

Mikroplastik belastet unsere Umwelt immer mehr, vergiftet insbesondere die Meere und beschleunigt das Artensterben. Um die Belastung zu verringern, sind präzise Analysemethoden zu Art und Herkunft der Plastikteilchen nötig. Bisherige Verfahren sind teuer und kommen deshalb kaum zum Einsatz. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist ein alternativer, potenziell sehr kostengünstiger Ansatz, der eine besondere Eigenschaft von Plastik-Materialien nutzt: Sie leuchten – genauer: lumineszieren – unter Anregung mit ultraviolettem Licht, und zwar je nach Farbe des anregenden Lichts und materialspezifischen Eigenschaften unterschiedlich. Mit der Lumineszenz-Anregungsspektroskopie können Materialien daher identifiziert werden. Dieses Forschungsvorhaben will die Treffsicherheit im Vergleich mit etablierten Spektroskopieverfahren evaluieren und darauf aufbauend das Messsystem optimieren und vereinfachen. Idealerweise werden so größer angelegte Studien zur Verteilung von Mikroplastik möglich.

Entwicklung eines Modells zur Simulation von Stoffströmen im Bereich Mikroplastik

Antragsteller: Prof. Dr. Peter Lenz; Prof. Dr. Martin Koch

Institution: Philipps-Universität Marburg

Mikroplastik gerät durch Kosmetika und andere Gebrauchsprodukte oder durch die Zersetzung von Plastikmüll in die Umwelt. Das Projekt will einerseits die Zersetzung von Kunststoffpartikeln und andererseits die Verteilung von Mikroplastik in der Umwelt im Computer simulieren und experimentellen Daten und Messungen gegenüberstellen. Konkret soll der Zerkleinerungsprozess von acht verschiedenen Basispolymeren in Laborexperimenten untersucht und die Mikroplastikbelastung in der Lahn über eine Länge von 30 Kilometern ermittelt werden. Sollte die Modellbildung erfolgreich sein, wäre das der erste Schritt zu einem Vorhersagesystem hinsichtlich der zu erwartenden Belastung der Umwelt mit Mikroplastik.

PaaP: Protease-aktivierbare antivirale Prodrugs

Antragsteller: Prof. Dr. Felix Hausch; Prof. Dr. Eberhard Hildt

Institutionen: Technische Universität Darmstadt; Paul-Ehrlich-Institut (Langen)

Wie wichtig Wirkstoffe gegen Viren sind, zeigt nicht nur die aktuelle Corona-Pandemie. Eines der wichtigsten Kriterien ist das Verhältnis von gewünschtem Effekt zu möglichen Nebenwirkungen. Das Projekt untersucht die Kernidee, ob durch die Kombination von zwei prominenten antiviralen Wirkstoff-Typen sogenannte Prodrugs abgeleitet werden können, die bevorzugt in viral infizierten Zellen wirken. Dadurch könnten unerwünschte Effekte in nicht betroffenen Zellen von Patienten reduziert werden. Dieses Konzept so genannter Protease-aktivierbarer antiviraler Prodrugs soll anhand von Hepatitis C-Viren (HCV) und Corona-Viren (SARS-CoV2) als gute verstandenen Modellsystemen demonstriert werden.

Transfer RNA als Ziel von therapeutischen Fluoropyrimidinen

Antragsteller: Dr. rer. nat. Roland Klassen

Institution: Universität Kassel

Medikamente aus der Gruppe der sogenannten Fluoropyrimidine zielen darauf ab, selektiv infektiöse Pilze oder Tumorzellen zu inaktivieren. Oft aber wirken sie zu wenig oder treffen auch nicht infektiöse Pilze oder Zellen. Es wird vermutet, dass eine Nukleinsäureform, die für die Proteinfabrik in Zellen essenziell ist, ein Angriffsort für diese Medikamente sein könnte. Der Nachweis und eine Kenntnis der molekularen Details könnte den Grundstein zur Entwicklung neuer Therapieoptionen für Krebs und lebensbedrohliche Pilzinfektionen liefern.

Gezielte Hemmung der mRNA-Translation zur Therapie chronischer Schmerzen

Antragsteller: Prof. Dr. Robert Fürst; Prof. Dr. Dr. Achim Schmidtko

Institution: Goethe Universität Frankfurt

Etwa 12 bis 15 Millionen Menschen leiden in Deutschland an chronischen Schmerzen. Existierende Schmerzmittel wirken oft nicht ausreichend oder erzeugen schwere Nebenwirkungen. Dieses Projekt stellt die spannende Frage: Können Schmerzen durch eine Hemmung der sogenannten Protein-Biosynthese, auch als mRNA-Translation bezeichnet, behandelt werden? Ersten Experimente haben Hinweise darauf gegeben, dass Substanzen, die diesen Prozess blockieren, tatsächlich Schmerzen reduzieren können. Das Projekt will die Wirkung verschiedener Translations-Blocker in unterschiedlichen Schmerzmodellen analysieren und Daten zur Wirkstärke und Verträglichkeit liefern. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, eine völlig neue Möglichkeit zur Therapie chronischer Schmerzen zu entwickeln.

AutiBone – zelluläre und molekulare Auswirkungen auf das Skelettsystem bei Autismus-Spektrum-Störungen

Antragsteller: Prof. Dr. rer. nat. Thaqif El Khassawna

Institution: Justus-Liebig-Universität Gießen

Autismus betrifft einen von 59 Menschen. Das verbreitete Bild vom sozial inaktiven, aber hoch intelligenten Kind blendet viele Aspekte der Krankheit aus. Sie kann zu einem breiten Spektrum an Beeinträchtigungen führen, darunter eine verzögerte körperliche und geistige Entwicklung, eingeschränkte soziale Kommunikations- und Interaktionsmöglichkeiten oder auch orthopädische Probleme, etwa ein verändertes Gangbild oder verringerte Knochenstabilität. In diesem Projekt soll untersucht werden, ob sich die Auswirkungen von Autismus auf die Knochen bei Kindern und Erwachsenen unterscheidet und wie sich die Standardtherapie mit Medikamenten und eine neuartige Vibrationstherapie auswirken. Ziel ist es, die Auswirkungen detailliert zu untersuchen und so neue Therapieansätze zu finden.

Prinzipiengestützte Kategorienentwicklung für die Digital Humanities. Ein Proof of Concept

Antragsteller: Prof. Dr. Evelyn Gius

Institution: Technische Universität Darmstadt

Das Projekt entwickelt ein Computerprogramm, das Forschende in den Geisteswissenschaften nutzen können, wenn sie Textanalysen anfertigen. Das Besondere ist, dass es bereits vor der Analyse selbst ansetzt, nämlich dann, wenn die Kategorien bestimmt werden, mit denen ein Text analysiert wird. Zum Beispiel könnte eine Literaturwissenschaftlerin herausfinden wollen, wie Frauenfiguren in Romanen an der Wende zum 20. Jahrhundert dargestellt wurden. Die dafür nötigen Genderkategorien könnte sie vor der Analyse mithilfe des Programms ausarbeiten. Menschen fällt es schwer, Kategoriensysteme zu entwickeln, weil nicht alle damit zusammenhängenden Aspekte gleichzeitig bedacht werden können. Das Programm unterstützt das systematische Vorgehen und ermöglicht es, verschiedene Definitionen der Kategorien auszuprobieren, sie also sozusagen zu durchdenken. Dabei soll das Programm so gestaltet werden, dass es möglichst leicht und intuitiv zu bedienen ist, damit die Denkarbeit nicht von technischen Aspekten gestört wird.

Individualität in der Zellkultur: Zeit für den Paradigmenwechsel?

Antragsteller: Prof. Dr. Janina Burk

Institution: Justus-Liebig-Universität Gießen

Körperzellen sind so individuell wie die Menschen, von denen sie stammen. Diese Individualität wird bei Laborstudien zur Entwicklung von Therapien und Medikamenten bisher kaum beachtet – das ist ein großes Hindernis für den Fortschritt der Forschung. Dieses Projekt will einen Paradigmenwechsel anstoßen: Es erforscht, wie Laborstudien mit Zellkulturen aufgebaut sein müssen, um die Individualität der Zellen verschiedener Spender angemessen zu berücksichtigen und so eine größere Aussagekraft über die Wirksamkeit neuer Therapien zu erzielen. Hierzu werden adulte Stammzellen verschiedener Spender in Zellkulturmodellen untersucht. Dabei wird überprüft, welchen Einfluss Studienaufbau und Arten der Experimentwiederholung auf die Ergebnisse haben. Ziel ist es, Empfehlungen zum Studienaufbau zu erarbeiten, die letztlich den Fortschritt bei der Entwicklung neuer Therapien verbessern könnten.

Künstliche Intelligenz zur Erschließung kolonialer Verwertungspraktiken archäologischer Objektsammlungen

Antragsteller: Dr. Matthias Recke; Dr. Karsten Tolle

Institution: Goethe Universität Frankfurt

Archäologisches Material, das im Zusammenhang mit kolonialen Machtstrukturen und primär aus finanziellen Gründen nach Europa gebracht wurde, stellt eine besondere Herausforderung für die wissenschaftliche Bewertung dar. Das interdisziplinäre innovative Projekt will fotografische Sammelaufnahmen, die im 19. Jahrhundert im britisch verwalteten Zypern als „Verkaufskatalog“ von Antiken aufgenommen wurden, einer vielschichtigen Analyse auf der Grundlage neuronaler Netzwerken unterziehen. Die semi-automatisierte Bestimmung der rund 5000 abgebildeten Objekte ist auch für die KI nicht leicht, weil dazu eigentlich deutlich größere Datengrundlagen nötig sind und die historischen Fotografien nicht modernen Standards entsprechen. Da sich ein Großteil der abgebildeten Antiken heute in Berlin befindet, kann eine archäologische Bearbeitung gezielt Zuarbeit leisten und so die Trainingsprozesse der KI optimieren. Die auf vergleichbare Archivbestände übertragbare automatisierte Auswertung wird vertiefte Einblicke in den Antikenhandel zur Kolonialzeit geben.

DeepForest: Entwicklung von Machine-Learning-Methoden zur Schätzung der unteren Schichten der Waldvegetation aus Laserpunktwolken flugzeuggetragener Sensoren

Antragsteller: Prof. Dr.-Ing. Dorota Iwaszczuk

Institution: Technische Universität Darmstadt

Die Wälder der Erde sind von besonderer Bedeutung für das Klima und den Menschen. Sie sind Lebensraum für die viele Tier- und Pflanzenarten, binden Treibhausgase und sind ein wichtiger Rohstofflieferant für uns Menschen. Die möglichst detaillierte Erfassung ihrer Struktur ist für das Verständnis und den Schutz dieses komplexen Systems unerlässlich. Da die Erfassung bei Begehungen sehr aufwändig ist, können moderne Verfahren der Fernerkundung helfen. Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) sollen Methoden zur Beschreibung des Zustandes des Waldes und der bodennahen Vegetation entwickelt werden. Hierfür sollen Laserscanning- und Bilddaten aus flugzeug- und satellitengetragenen Sensoren genutzt werden, um Daten aus der Bodenperspektive zu erzeugen. Das entstehende digitale Modell kann zum Beispiel für den Hochwasserschutz und für die Untersuchung der Auswirkungen von Waldbränden eine wichtige Rolle spielen.

Agentenbasierte Simulationsmodelle für Mobilitätsmuster im Rhein-Main-Gebiet zur Evaluation von Wohlfahrtseffekten verkehrlicher Maßnahmen („ASIMOW“)

Antragsteller: Prof. Dr. Marco Sunder; Prof. Dr. Tobias Hagen

Institution: Frankfurt University of Applied Sciences

Das Projekt will eine Simulationsumgebung für Mobilitätsverhalten erproben – es widmet sich, salopp gesprochen, der Frage, wie kann man Mobilität und Verkehr so regeln, dass möglichst viele Menschen damit glücklich sind. Im Vergleich zu konventionellen Rechenmodellen soll dabei die Heterogenität der Menschen möglichst gut abgebildet werden, um bessere Prognosen zum Nutzen und den – auch zeitlichen – Kosten für verschiedene Personengruppen abgeben zu können. Somit wäre es möglich, gruppenspezifisch abzuschätzen, wie sich neue Radwege, eine City-Maut oder auch Trends gruppenspezifisch auswirken. Die Projektbeteiligten können umfangreiche Daten nutzen und beschäftigen sich regelmäßig mit verkehrspolitischen Maßnahmen. Das geplante Projekt ist in zweifacher Weise unkonventionell: Solche Modelle wurden aufgrund des hohen Rechenaufwands und des hohen Komplexitätsgrades in Deutschland noch nie für ganze Regionen genutzt, und sie wurden noch nie gezielt für wohlfahrtsökonomische Fragestellungen eingesetzt.