Es war ein Meilenstein in der noch jungen Geschichte von "Diamond Quantum Devices and Biology" (BioQ): Im Dezember 2012 erhielt
die Forschungsgruppe der Universität Ulm einen Synergy Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC), das höchstdotierte Förderinstrument der Europäischen Union. Wie lediglich zehn weitere Bewerber hatte sich BioQ europaweit gegen mehr als 700 Forschergruppen durchgesetzt. Die Belohnung: Fördergelder in Höhe von insgesamt 10,3 Millionen Euro. "Die großzügige Unterstützung des ERC versetzt uns in die Lage, wirklich aufregende interdisziplinäre Forschung mit hohem Risiko zu betreiben", bemerkt BioQSprecher Martin Plenio.

Die Fördergelder der Europäischen Union sind gut investiert, denn BioQ verfolgt ambitionierte Pläne. Das übergeordnete Ziel: Die Ulmer Forschergruppe will den Quanteneffekten in biologischen Systemen auf den Grund gehen und entwickelt dafür eine neue Art der Sensorik, die auf künstlich hergestellten Nanodiamanten basiert. "Als hochsensitive Quanten-Mikroskope können die Diamanten die Strukturen und Funktionen einzelner Bio-Moleküle sichtbar machen. Auf diese Weise wird es uns möglich werden, molekulare Prozesse
möglicherweise sogar in lebenden Zellen bis in den Quantenbereich in atomarer Auflösung zu beobachten", erklärt Plenio, der als Alexander-von-Humboldt-Professor das Institut für Theoretische Physik an der Universität Ulm leitet. Mit diamantbasierten Messtechniken können die Ulmer Forscher erstmalig mögliche Auswirkungen der Quantenmechanik auf biologische Prozesse in Menschen, Tieren und Pflanzen untersuchen. Die Quanteneffekte könnten zum Beispiel ein Schlüssel sein, um die hocheffektive Photosynthese besser zu verstehen und daraus Lehren für die organische Photovoltaik zu ziehen. Auch die Mechanismen des menschlichen Geruchssinns und der Magnetfeldwahrnehmung bei Vögeln könnten mit ihrer Hilfe erklärt werden.

Um die Forschungsziele zu erreichen, vereint BioQ die gebündelte Expertise aus den Disziplinen Physik, Chemie und Biologie. "Wir sind ein wirklich interdisziplinäres Team, in dem jeder wesentlich zum Gelingen beiträgt", sagt Plenio. Er selbst hat bereits Pionierarbeit in der Entwicklung von Quantentechnologien und bei der Untersuchung von Quanteneffekten in biologischen Systemen geleistet und genießt in seinem Bereich weltweit einen hervorragenden Ruf. Im BioQ-Projekt kooperiert Plenio mit Professor Fedor Jelezko, Leiter des Instituts für Quantenoptik an der Uni Ulm und in der Diamantquantensensorik international anerkannt.

"Gemeinsam arbeiten wir an der Verfeinerung der Diamantquantensensorik, um zum Beispiel Kernspinresonanz an einzelnen Proteinen zu realisieren", sagt Plenio. Die Dritte im BioQ-Bunde ist die Ulmer Professorin und Leiterin des Instituts für Organische Chemie III, Tanja Weil. Die Polymerchemikerin erforscht zum Beispiel, wie Medikamente gezielt zu ihrem Wirkort im menschlichen Körper transportiert werden können. "In Zusammenarbeit mit Fedor Jelezko hat sie die Oberfläche eines Nanodiamanten so verändert, dass einzelne Wirkstoffe daran haften", erklärt Plenio. "Einmal in die zelluläre Umgebung eingebracht, lassen sich diese winzigen Diamanten dank ihrer Farbstoffzentren präzise orten. Man kann sogar nachvollziehen, wann und wo Moleküle abgeladen werden." In der Medizin
eröffnen diese neuen, nichtinvasiven bildgebenden Verfahren zahlreiche Möglichkeiten: Mit ihrer Hilfe können zum Beispiel der Transport und die Wirkmechanismen von Arzneistoffen besser verstanden werden – für die Medikamentenentwicklung ein entscheidender Vorteil.

Erst kürzlich wurde die BioQGruppe um ein weiteres Mitglied erweitert: Professor Frank Kirchhoff. Der Direktor des Instituts für Molekulare Virologie der Uni Ulm ist Leibniz-Preisträger und ein international anerkannter AIDSForscher. 2012 erhielt er einen ERC
Advanced Grant über zwei Millionen Euro. Dadurch ergab sich die Möglichkeit, die BioQ-Initiative auf die molekulare Medizin auszuweiten. "Professor Kirchhoff erforscht, wie der AIDS-Erreger an Zellen andockt und diese infiziert. Mit Hilfe unserer hochsensiblen
bildgebenden Verfahren auf Basis von Nanodiamanten lässt sich dieser Prozess genau analysieren. Dadurch kann man möglicherweise
auch neue Wege finden, die Virusinfektion zu verhindern", erläutert Plenio die Zusammenarbeit.

Weiteren Auftrieb erhielt BioQ im April 2014, als der Wissenschaftsrat den Ulmer Antrag für das neue Interdisziplinäre Zentrum
für Quantenwissenschaften (ZQB) mit der Bestnote bewertete. Damit war der Weg frei für ein zukunftsweisendes Bauprojekt, das
zu einem großen Teil über das Bund-Länder-Programm zur Förderung von Forschungsbauten finanziert wird. Die Gesamtkosten
in Höhe von 27 Millionen Euro übernimmt zur Hälfte der Bund, die andere Hälfte teilen sich das Land Baden-Württemberg und die
Universität Ulm. Das ZQB ist für insgesamt 115 Mitarbeiter ausgelegt und wird zahlreichen Arbeitsgruppen von der Physik über die
Chemie bis hin zur molekularen Medizin Platz bieten. Für die Arbeit im Zuge von BioQ müssen die ZQB-Laboratorien ganz besonderen
Anforderungen genügen. So müssen bei Viren-Experimenten bestimmte Sicherheitsstandards erfüllt und zudem die hochleistungsfähigen Sensoren von Störfeldern abgeschirmt werden. In einigen Laboratorien wird es sogar einen speziellen Fußboden geben, um Vibrationen abzufedern.

Für Plenio sind neben der Ausstattung auch die Kommunikationsflächen im ZQB besonders wichtig: "Zurzeit forschen alle BioQ-Wissenschaftler verstreut auf dem Campus. In unserem neuen Forschungsgebäude soll jedoch der Austausch von theoretischen Physikern mit Chemikern und Molekularmedizinern gefördert werden. Wir brauchen also einen guten Architekten, der uns ein kommunikatives Gebäude entwirft."

Kontakt
Universität Ulm
"Diamond Quantum Devices and Biology" (BioQ)
Sprecher: Prof. Martin Plenio
Albert-Einstein-Allee 11
89069 Ulm

Tel. (0731) 5 02 29 11
martin.plenio@uni-ulm.de
www.bioq.info, www.uni-ulm.de