Doppelter Erfolg bei prestigeträchtigen ERC Synergy Grants

26. Oktober 2023

Für bahnbrechende Vorhaben auf dem Gebiet der Kryo-Elektronenmikroskopie und der Wasserstoffforschung haben mit Prof. Carsten Sachse und Prof. Karl Mayrhofer gleich zwei Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich einen der begehrten Synergy Grants des Europäischen Forschungsrat ERC eingeworben. Die Forschungspreise zählen zu den höchstdotierten Auszeichnungen für Forschende in Europa und sind nur im Team zu gewinnen.

Doppelter Erfolg bei prestigeträchtigen ERC Synergy Grants
Prof. Carsten Sachse (links) und Prof. Karl Mayrhofer (rechts)

Prof. Carsten Sachse erhält gemeinsam mit Forschungspartnern aus Deutschland und der Schweiz einen ERC Synergy Grant, um ein kryo-elektronenmikroskopisches Verfahren zu entwickeln, das eine noch genauere Untersuchung der 3D-Struktur von Molekülen in Gewebeproben und biologischen Zellen ermöglichen soll. In einem weiteren Projekt kooperiert Prof. Karl Mayrhofer vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, mit Forschern aus Dänemark, Deutschland und der Schweiz, um systematisch nach langlebigen Katalysatormaterialien für die Herstellung von Wasserstoff zu fahnden. Dabei sollen Tausende Materialkombinationen nach einem einzigartigen evolutionären Ansatz gleichzeitig getestet werden.

Die ERC Synergy Grants fördern interdisziplinäre Forschungsprojekte etablierter Spitzenforschender, die die Grenzen des Wissens erweitern und von einer einzelnen Fachgruppe allein nicht adressiert werden können. Aus 395 eingereichten Anträgen wurden lediglich 37 Teams ausgewählt aus zwei bis vier Forschenden ausgewählt, die für sechs Jahre mit bis zu 10 Millionen Euro unterstützt werden.

Neue Technik für die Kryo-Elektronenmikroskopie

Prof. Dr. Carsten Sachse leitet als Direktor den Bereich Strukturbiologie am Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) und ist Professor der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. (Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach)

Die Kryo-Elektronenmikroskopie, kurz Kryo-EM, hat die Lebenswissenschaften in den letzten Jahren revolutioniert, da sie es ermöglicht, die 3D-Struktur von Proteinen in ihrem natürlichen Zustand direkt zu bestimmen. Dennoch sind für viele Moleküle, insbesondere solchen, die bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson eine Rolle spielen, die Auflösung und der Kontrast der etablierten Abbildungsverfahren noch unzureichend. Im Projekt 4D-BioSTEM, das mit insgesamt 7,5 Millionen Euro gefördert wird, möchten die Professoren Carsten Sachse vom Forschungszentrum Jülich, Knut Müller-Caspary von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Henning Stahlberg von der Schweizer École Polytechnique Fédérale de Lausanne und Universität Lausanne die Technologie gemeinsam auf das nächste Level heben.

„Bei einer solchen bahnbrechenden Neuerung sind viele große und kleine technische Fragen zu klären, die sich interdisziplinär im Rahmen des ERC Synergy Grants deutlich schneller lösen lassen, als es getrennt in den Fachcommunitys möglich wäre“, freut sich Carsten Sachse, der am Forschungszentrum Jülich und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf forscht und lehrt.

Möglich werden soll dies durch die sogenannte 4D-Rasterelektronenmikroskopie. Die Methode wird bislang vorrangig in der Materialforschung eingesetzt und ermöglicht durch die Kombination von Orts- und Beugungsinformationen einen noch feineren Detailgrad. Um gefrorene biologische Proben zu untersuchen, setzt das interdisziplinäre Team, das die Expertise in der biologischen und physikalischen Elektronenmikroskopie vereint, auf spezialisierte Hardware und Simulationen und entwickelt Mikroskop-Betriebsroutinen und Bildrekonstruktionsalgorithmen für eine optimale Auflösung der Aufnahmen. Auf diese Weise könnten Proteine in Hirnproben künftig noch sehr viel genauer und – anders als bisher – direkt in gefrorenen Gewebeproben untersucht werden.

4D-Rasterelektronenmikroskopie

Bei der herkömmlichen Kryo-Elektronenmikroskopie werden viele Tausende Schnappschüsse einer Probe mithilfe der sogenannten Transmissionselektronenmikroskopie aus unterschiedlichsten Blickrichtungen aufgenommen und anschließend zu einem detaillierten dreidimensionalen Bild verrechnet. Die 4D-Rasterelektronenmikroskopie tastet dagegen Objekte in winzigen Schritten zeilenweise ab. Für jeden einzelnen Bildpunkt wird dabei zusätzlich ein sogenanntes Beugungsbild erfasst. Im Ergebnis entstehen so Tausende bis Millionen überlappender Beugungsbilder, die mithilfe sogenannter ptychographischer Algorithmen in ein interpretierbares Bild zurückgerechnet werden. Im Projekt 4D-BioSTEM sollen unter anderem entsprechende Techniken zur Berechnung von Biomolekülen entwickelt werden. Das Verfahren ist sehr daten- und rechenintensiv. Ziel ist es, das maximale Signal aus den verrauschten Daten zu gewinnen. Denn biologische Proben reagieren typischerweise äußerst empfindlich auf die Elektronenstrahlen, sodass nur eine begrenze Dosis für die Untersuchung zur Verfügung steht.

Suche nach langlebigen Katalysatoren für die Produktion von Wasserstoff

Prof. Dr. Karl J. J. Mayrhofer ist Direktor am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN) und Professor der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Copyright: Georg Pöhlein)

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Für seine Herstellung werden Katalysatoren benötigt, die teils extremen Bedingungen ausgesetzt sind. Bisherige Elektrokatalysatoren halten das meist nicht lange aus – neue Materialien werden benötigt, die sowohl leistungsstark als auch langlebig sind, und idealerweise keine teuren und knappen Elemente enthalten.

Um sie gezielt zu suchen, bündeln die Professoren Jan Rossmeisl von der dänischen Universität Kopenhagen, Alfred Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum, Karl Mayrhofer vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg und Prof. Dr. Matthias Arenz von der schweizerischen Universität Bern ihre Expertise im Projekt DEMI, das im Rahmen des ERC Synergy Grants mit 10 Millionen Euro gefördert wird.

„Unser datengetriebener, vernetzender Ansatz wird Katalysatoren stabiler und leistungsfähiger machen. Ziel ist es, sowohl die Wasserelektrolyse als auch den Betrieb von Brennstoffzellen effizienter zu gestalten“, erklärt Karl Mayrhofer vom HI ERN und der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg.

Besonders vielversprechend sind Materialien, die aus fünf oder mehr Elementen bestehen. Gesucht wird damit praktisch die „Stecknadel im Heuhaufen“, denn es gibt eine schier unendliche Zahl möglicher Verbindungen. Mithilfe eines einzigartigen evolutionären Ansatzes werden Tausende aussichtsreiche Kombinationen zunächst berechnet und anschließend gleichzeitig getestet. Die besten Materialien, die sich bewähren konnten, werden anschließend in die Anwendung überführt.

Materialforschung nach dem Prinzip der Evolution

Die Kopenhagener Forschenden berechnen aussichtsreiche Materialkombinationen mittels theoretischer Elektrochemie und Simulationen. Dabei verfolgen sie ein evolutionäres Prinzip, indem sie kleine Veränderungen durchführen und prüfen, ob diese sich positiv oder negativ auswirken. So folgen sie dem Pfad zum immer besseren Material. Das Bochumer Team führt u.a. ein evolutionäres Screening mit neuartigen Mikromaterialbibliotheken durch. Tausende Materialien die gleichzeitig hergestellt werden, werden im Anschluss extremen elektrochemischen Bedingungen ausgesetzt, um somit sehr schnell die „Überlebensfähigen“ zu identifizieren. Auf dieser Basis werden weitere Materialbibliotheken hergestellt, die die Erlanger Forschenden mit ihren weltweit einzigartigen Methoden im Hochdurchsatz auf ihre elektrochemische Leistungsfähigkeit hin untersuchen. Im Mittelpunkt dabei steht die sekundenschnelle, zeitgleiche Erfassung sowohl von Aktivität und Stabilität als auch Selektivität der Katalysatormaterialien, welche eine schnelle und umfassende Analyse unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglicht. Das Berner Team stellt dann aus den besten Materialkombinationen Katalysatoren in Form von Nanopartikeln her, die in die Anwendung überführt werden könnten.

Ansprechpartner

  • Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C)
  • Strukturbiologie (ER-C-3)
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  • Institute of Energy Technologies (IET)
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    Letzte Änderung: 27.10.2023