JARA – Jülich Aachen Research Alliance

JARA-FIT

Ein Zentrum für die Quantenforschung

Das Reich der Quanten hat seine eigene Logik – können Quanten doch gleichzeitig verschiedene Zustände einnehmen. Diese Logik zu verstehen und zu nutzen, bietet enorme Chancen. Quantentechnologie wird unsere Welt verändern – in Wissenschaft, Industrie, Wirtschaft und Alltag. Damit sich die hohen Erwartungen erfüllen, müssen theoretisches Wissen und praktische Kompetenz optimal kombiniert werden. Das ist das Ziel des neuen „Helmholtz Quantum Center“, kurz HQC, das 2020 gestartet ist. Es trägt der gestiegenen Bedeutung der Quantentechnologie Rechnung: von der Erforschung unterschiedlicher Quantenmaterialien über die Erprobung verschiedener Qubit-Konzepte bis hin zum Bau eines europäischen Quantencomputers. Grundlagenforschung, Theorie und Entwicklung sollen in dem Center gebündelt werden. Hierzu werden sechs Forschungsfelder und sieben Technologiecluster miteinander verbunden. Neben weiteren hochkarätigen Wissenschaftler:innen sind aus der Sektion JARA-FIT Prof. Stefan Tautz sowie Prof. David DiVincenzo und Prof. Hendrik Bluhm, Direktoren des Instituts für Quanten­informa­tion, maßgeblich am HQC beteiligt.

Mit etwa 50 Millionen Euro wird das Projekt von der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) finanziert. Es beinhaltet unter anderem den Bau eines neuen Gebäudes mit modernster Versuchsausrüstung auf dem Jülicher Campus. Darin soll auch das JARA-FIT-Institut für Quanteninformation Platz finden, ebenso die Laboreinrichtung des europäischen „Quantum Flag­ship“. Den Partnern aus der Region, Deutschland und Europa bietet der Neubau Labor- und Büroräume für Gastwissenschaftler:innen. Planmäßig wird das HQC 2025 in den Vollbetrieb gehen.

Auch einer der Helmholtz International Fellow Awards der Helmholtz-Gemeinschaft wurde 2020 an einen Experten auf dem Gebiet der Quanteninformation vergeben: Preisträger ist Prof. Andreas Wallraff von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH). Auf Empfehlung von JARA-Professor David DiVincenzo, Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut, hatte der Vorstand des Forschungszentrums Andreas Wallraff für den Preis nominiert. Der Preis trägt dazu bei, die bestehende Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Jülich und innerhalb der HGF auszubauen.

JARA-SOFT

Graduiertenkolleg für künstliches Sehen

Wenn das Augenlicht beeinträchtigt ist, sollen neue Operations- und Implantationstechniken – beispielsweise Netzhautimplantate – helfen. Bisher bleibt der Erfolg jedoch oft hinter den Erwartungen zurück. Das neue Graduiertenkolleg „Innovative Schnittstellen zur Retina für optimiertes künstliches Sehen – InnoRetVision“ trägt nun dazu bei, dieses Forschungsfeld weiterzuentwickeln, von der Grundlagenforschung bis zu neuartigen Technologien, die das künstliche Sehen optimieren. Mit Expertinnen und Experten aus den Bereichen Ingenieurwissenschaften, Neurobiologie und Medizin verfolgt es einen interdisziplinären Ansatz in der Forschung und Graduiertenausbildung. So sollen die biomedizinischen Mechanismen der Netzhautdegeneration und deren Konsequenzen auf die Verschaltung im Gehirn genauer analysiert und neuartige Elektroden und Schaltungssysteme für Implantate entwickelt werden. Ziel ist, das künstliche Sehen erheblich zu verbessern.

Das Kolleg für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft seit Oktober 2020 für viereinhalb Jahre mit 5,6 Millionen Euro gefördert. Mit Professor Andreas Offenhäusser vom Jülicher Institut für Biologische Informationsprozesse ist auch ein JARA-SOFT-Wissenschaftler beteiligt. Sprecher des Kollegs ist Prof. Peter Walter von der Augenklinik der RWTH Aachen. Neben der RWTH und dem Forschungszentrum Jülich ist die Universität Duisburg-Essen am Graduiertenkolleg beteiligt.

JARA-SOFT/JARA-BRAIN

Wie Natriumionen den Glutamat-Transport im Gehirn antreiben

Jülicher Forschende um Prof. Christoph Fahlke – Mitglied in JARA-BRAIN und JARA-SOFT – vom Institut für Biologische Informationsprozesse, Molekular- und Zellphysiologie, haben herausgefunden, wie Natriumionen den Transport von Glutamat im Gehirn antreiben. Der Botenstoff Glutamat ermöglicht es, dass aktivierende Signale von einer Nervenzelle auf eine andere übertragen werden. Damit die Signalübertragung auch wieder aufhört, muss Glutamat danach schnell aus dem synaptischen Spalt zwischen den Nervenzellen abtransportiert werden. Zuständig dafür sind spezialisierte Proteine in der Zellmembran, die sogenannten Excitatory Amino Acid Transporters, kurz EAATs.

Die Transporter binden Glutamat an der Außenseite der Zelle zusammen mit drei Natriumionen und befördern alles zusammen in das Zellinnere. Dass die Natriumionen-Konzentration außerhalb der Zelle deutlich höher ist als im Inneren, wirkt dabei als treibende Kraft. Mithilfe von Röntgenkristallografie gelang es nun mit bislang unerreichter Genauigkeit, die Struktur eines natriumgebundenen Transporters unmittelbar vor der Bindung des Glutamats aufzuklären. Simulationen auf dem Supercomputer JURECA und weitere Experimente konnten zeigen, wie die Bindung von zwei Natriumionen die nachfolgende Bindung von Glutamat und einem dritten Natriumion ermöglicht. Die Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in molekulare Prozesse der Informationsverarbeitung im Gehirn und könnten dazu beitragen, neue Behandlungsverfahren für Hirnerkrankungen wie den Schlaganfall zu entwickeln, bei denen erhöhte Glutamat-Konzentrationen auftreten. Sie wurden im Fachjournal „Science Advances“ veröffentlicht.

Eine Mutation, die dazu führt, dass ein Glutamattransporter, EAAT1, Glutamat nicht mehr korrekt transportiert, ist Ursache einer seltenen schweren Erkrankung, der episodischen Ataxie (Typ 6). Sie geht mit Bewegungsstörungen, Migräne oder Epilepsie einher. Fahlkes Team konnte klären, wie die Mutation in einem Gen die komplexen neurologischen Symptome verursacht. Die Ergebnisse erschienen im Fachmagazin „Brain Communications“.