Studium Generale

Wenn bei uns im Sommer die Temperaturen steigen, freut das die Überträger verschiedener Krankheitserreger – durch Reiseverkehr und im Zuge des Klimawandels werden bei uns Arten aus tropischen Gefilden wie die Tigermücke heimisch, welche gefährliche Viren und Parasiten übertragen können. Aber woher „weiß“ so ein blutsaugendes Insekt überhaupt, wann und wo es sich lohnt, zuzustechen? Wieso juckt der Stich nachher so und wie überlebt ein Krankheitserreger eigentlich das Fieber, das er in unserem Körper auslöst? All dies ist auf molekularer Ebene eng miteinander verzahnt, da unser, ebenso wie das Schmerz- und Temperaturempfinden aller anderen Lebewesen, auf den dynamischen Wechselwirkungen komplexer Biomakromoleküle basiert. Einblicke in die oben genannten Fragen bieten daher auch auf den ersten Blick völlig unabhängige Themen, z.B. warum wir Chili als „heiß“ empfinden, oder was an einem kalten Wintertag den besonderen Geschmack des Glühweins ausmacht.

Prof. Dr. Ute Hellmich ist Professorin für Biostrukturelle Interaktionen an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Glas entsteht in allen Bereichen des Kosmos auf verschiedenste Weise. Der Vortrag unternimmt gewissermaßen eine Reise in Raum und Zeit und soll am Beispiel von Glas Einblicke in die vielfältigen Prozesse geben, die von fundamentaler Bedeutung für die Entstehung und Evolution des Sonnensystems sind. Die Reise reicht vom interstellaren Medium über den interplanetaren Raum bis hin zu den Oberflächen von Asteroiden, Kometen und Planeten. Zeugnisse über die Vergangenheit liefern dabei Meteoriten und außerirdische Staubteilchen, die täglich als Mikrometeorite auf die Erde niederregnen, sowie Proben, die durch Raummissionen wie die Apollo-, Stardust- oder die Hayabusa-Missionen zur Erde gebracht wurden. Untersuchungen an diesen Proben zeigen, dass Gläser bei ungewöhnlichen Prozessen wie der Weltraumerosion oder durch kosmische Kollisionen entstehen. Ein Teil dieser Kollisionen war auf der Erde so gewaltig, dass massenhafte Aussterben von Tier- und Pflanzenarten ausgelöst wurden. Die Indizien für diese Ereignisse sind wiederum Glaskügelchen, die sich weltweit in den Auswurfslagen von riesigen Kratern wie dem Chicxulub-Impaktkater finden.

Prof. Dr. Falko Langenhorst ist Professor für Analytische Mineralogie der Mikro- und Nanostrukturen an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Die Gesamtheit der Mikroorganismen, mit denen wir Menschen besiedelt sind, wird als Mikrobiota bezeichnet. Die symbiotischen Interaktionen zwischen der Mikrobiota und ihrem Wirt, dem Menschen, dienen der Aufrechterhaltung unserer Körperfunktionen und sind von wesentlicher Bedeutung für einen gesunden Organismus, aber auch für die Entstehung von Krankheiten. Neben den Erbinformationen besitzt die Umwelt einen starken Einfluss auf die Zusammensetzung und Funktion eines gesundes Mikrobioms. Durch unsere Ernährung, aber auch dem sorgsamen Umgang mit medikamenten, insbesondere Antibiotika können wir Störungen im Mikrobiom, der sogenannten Dysbiose vorbeugen. Diese Störungen der Mikrobiota und ihrer Funktionen sind mit einer Vielzahl von Erkrankungen des Magen-Darm-Traktes, der Leber, aber des Nervensystems und der Psyche verknüpft. Unter Nutzung moderne molekulargenetischer Techniken und künstlicher Intelligenz werden immer genauere krankheitsdefinierende Signaturen von Bakterien, Viren, Pilze und Archaeen im Mikrobiom des Gastrointestinaltraktes beschrieben. Akzeptiert wird, dass Veränderungen im Mikrobiom (mit-)ursächlich für die Entstehung der Clostridioides difficile-Infektion und chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, aber auch der Adipositas oder neurodegernativer Erkrankungen sind. Diese Veränderungen beschränken sich nicht nur auf Bakterien, sondern beziehen Viren und Pilze mit ein. Die Wechselwirkungen zwischen Mikrobiom und Immunsystem bilden deshalb die rationale Basis für neue Mikrobiom-modulierende Therapiekonzepte. 

Prof. Dr. Andreas Stallmach ist Klinikdirektor an der Klinik für Innere Medizin IV (Gastroenterologie, Hepatologie,Infektiologie, Interdisziplinäre Endoskopie) im Universitätsklinikum Jena

Bis in die 2000er Jahre lagen die meisten Entdeckungen von Bodenschätzen an oder nahe zur Erdoberfläche. Aber in den letzten Jahren ist eine erhebliche Nachfrage nach größeren Erkundungstiefen zu beobachten und das parallel zur Durchführung schneller, kosten- und zeiteffizienter sowie umweltfreundlicher Erkundungsprogramme für Rohstoffe. Ebenso ändert sich der Charakter der Lagerstätten zunehmend hin zu Gebieten mit rauen klimatischen Bedingungen oder mit anspruchsvoller Topographie oder eingeschränktem Zugang (Sümpfe etc.) erfolgen.

Um diesen Anforderungen gleichzeitig gerecht zu werden, sind magnetische und elektromagnetische (EM) Methoden (ebenso in der Gravimetrie) unter Verwendung von Quantensensoren mit extremer Magnetfeldempfindlichkeit und Auflösung für zukünftige Explorationsszenarien notwendig.

Zunächst wird ein Überblick über den Stand der Technik zu konventionellen Magnetfeldsensoren (=Magnetometern) gegeben und anschließend zur Realisierung von Quantenmagnetometern. Anschließend werden Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren (SQUID) als Quantenmagnetometer eingeführt sowie SQUID-basierte Instrumente und damit verbundene Demonstrationen und Fallstudien vorgestellt. Ein flugzeuggestütztes Vektor-Magnetometer mit ultraniedrigem Rauschen von <10 fT⁄√Hz und extremen Dynamikbereich von >32 Bit wird gezeigt, welches parallel zur magnetischer auch EM-Methoden wie die passive Audiofrequenzmagnetik oder semi-airborne Methoden mit aktiven Sendern ermöglicht. Zudem wird ein Flugzeug-gestütztes Volltensor-Gradiometer wie auch ein langjährig etabliertes bodengestütztes Instrument für die transiente EM-Methode diskutiert, welche bereits in einer Reihe kommerzieller Fallstudien eingesetzt wurden.

Prof. Dr. Ronny Stolz ist Leiter der Abteilung Quantensysteme am Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und Honorarprofessor für Quantenengineering an der TU Ilmenau.

Zellen und ihre Strukturen und Moleküle wie Proteine sind Grundbausteine unseres Lebens und Fehler in ihrem Aufbau bestimme Krankheiten wie Krebs oder Entzündungen und müssen daher verstanden werden. Optische Mikroskopie ist optimal, um Zellen sogar in ihrem natürlichem Umfeld über Zeit und Raum zu beobachten. Leider können molekular und sub-zelluläre Strukturen aufgrund der limitierten räumlichen Auflösung von konventionelle Methoden nicht untersucht werden. Diese Vorlesung führt in die möglichen zellulären Strukturen ein, erklärt warum optische Mikroskopie eine limitierte Auflösung hat, präsentiert superaufgelöste Mikroskopiemethoden und stellt anhand von Beispielen dar, warum dieses viel mit Jena zu tun hat und warum diese Methoden den Nobel Preis für Chemie 2014 verdient hatten.

Prof. Dr. Christian Eggeling ist Professor für superauflösende Mikroskopie und Direktor des Instituts für Angewandte Optik und Biophysik an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Die meisten Antibiotika bestehen aus chemischen Verbindungen, die von Mikroorganismen produziert werden. In den letzten Jahren hat die rasche Verbreitung resistenter Krankheitserreger dazu geführt, dass viele Antibiotika an Wirksamkeit verlieren. Die Suche nach neuen Wirkstoffen ist daher eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung im Kampf gegen diese Resistenzen. Traditionelle Strategien stoßen dabei jedoch oft an ihre Grenzen, weshalb neue und innovative Ansätze erforderlich sind. Zwei solcher Ansätze werden Diskutiert.
Ein tieferes Verständnis dafür, warum Mikroorganismen in ihrer natürlichen Umgebung bestimmte Verbindungen produzieren, bietet die Möglichkeit, neue Wirkstoffe zu entdecken. Besonders aufschlussreich sind Situationen, in denen sich Bakterien mithilfe von Naturstoffen gegen ihre Feinde verteidigen.
Ein weiterer Ansatz zur Identifizierung neuartiger Naturstoffe basiert auf einem Verstädnis der evolutionären Veränderung von Naturstoffen im Laufe der Zeit. Mithilfe prähistorischer DNA können Naturstoffe aus vergangenen Zeiten rekonstruiert und getestet werden.

Prof. Dr. Pierre Stallforth ist Professor für Bioorganische Chemie und Paläobiotechnologie am Institut für Organische und Makromolekulare Chemie der Universität Jena und Leiter des Forschungsbereichs Paläobiotechnologie am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI).