Statement der Koordinatoren
Das LOEWE-Programm des Landes Hessen bietet die idealen Rahmenbedingungen zur nachhaltigen Förderung von interdisziplinären und innovativen Forschungsvorhaben. So bündelt der LOEWE-Schwerpunkt iNAPO – ionenleitende Nanoporen fachbereichsübergreifend die Expertise der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf dem Gebiet der Nanoporen-Forschung und trägt seit der Gründung erfolgreich zur Profilbildung der Technischen Universität Darmstadt bei.
Nach dem Vorbild der Natur entwickeln die am Schwerpunkt beteiligten Forschenden neuartige Messinstrumente im Nanomaßstab, die künftig dabei helfen sollen, Krankheiten und Umweltgifte zu erkennen. Synthetische und natürliche Nanoporen werden kombiniert und so eine neue Generation besonders empfindlicher und damit leistungsstarker Nanosensoren geschaffen. Die winzig kleinen Nanoporen können kostengünstig und verlässlich dabei helfen, Erkrankungen zu diagnostizieren oder giftige Stoffe in Lebensmitteln aufzuspüren. Im Jahr 2016 wurde diesem neuartigen Konzept der Innovationspreis des bundesweiten Wettbewerbs „Ausgezeichnete Orte im Land der Ideen“ verliehen.
Im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts iNAPO ist es zudem gelungen, neue Strukturen zur Förderung exzellenter Nachwuchskräfte auf dem Gebiet der Nanoporen-Forschung zu schaffen. So wurden die drei Nachwuchsgruppen von Jun.-Prof. Dr. Annette Andrieu-Brunsen, Dr. Alesia Tietze und Dr.-Ing. Markus Gallei im Fachbereich Chemie mit je einer Doktorandenstelle gefördert sowie eine neue Juniorprofessur zum Thema „Protein Engineering von ionenleitenden Nanoporen“ mit Jun.-Prof. Dr. Viktor Stein besetzt.
Entsprechend der übergeordneten Zielsetzung des LOEWE-Programms wird im Anschluss an den LOEWE-Schwerpunkt mit dem Centre for Synthetic Biology im Rhein-Main-Verbund ein international sichtbares Zentrum für Spitzenforschung etabliert, welches den Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Hessen nachhaltig stärkt. Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Schwerpunkt iNAPO in Darmstadt mit dem GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung GmbH den idealen Partner hat und so eine nachhaltige Weichenstellung für die Nanoporen-Forschung im Rhein-Main-Gebiet vornimmt.
Dadurch stärkt das Programm die Innovationskraft Hessens zum Vorteil der Gesellschaft, aber auch zum Nutzen der regionalen Wirtschaft. Gerade die Bioökonomie gehört zu den bedeutendsten Wachstumsmärkten der Zukunft mit einer wachsenden Nachfrage nach innovativen wirksamen Sensoren in Form von Lab-on-Chip Systemen.
Prof. Dr. Wolfgang Ensinger, Prof. Dr. Bodo Laube, Koordination des LOEWE-Schwerpunkts iNAPO – ionenleitende Nanoporen, Technische Universität Darmstadt
Wissenschaftlich-technische Ausgangslage
Natürlich vorkommende Zellmembranen enthalten Proteine, die sehr selektiv physikalische und chemische Signale wahrnehmen und in messbare bspw. elektrische Signale umwandeln können. Diese biologischen Nanoporen wurden in der Evolution für den Transport von Ionen in Zellen in Form von Ionen- und Rezeptorkanälen optimiert und stellen hocheffiziente biologische "Nano-Ionenleiter" mit einer Leistungsfähigkeit dar, wie man sie technologisch bisher nicht erreicht. Im Zuge des LOEWE-Projekts „Ionenleitende Nanoporen (iNAPO)“ sollen sowohl Bau- wie auch Funktionsprinzipien biologischer Nanoporen verstanden werden. Diese hochselektiven und sensitiven Nanoporen sollen zukünftig analytisch, sensorisch und diagnostisch genutzt werden können, bisher stößt man aber bei der technologischen Anwendung an eine Grenze: Die mangelnde Robustheit der Nanoporen. Da diese evolutionär für zelluläre Systeme entwickelt wurden, funktionieren sie nur in Lipidmembranen, womit sie bisher nicht ausreichend robust für technische Anwendungen sind.
Synthetische Nanoporen werden seit Jahrzehnten in Silizium, Siliziumverbindungen sowie in verschiedenen Kunststoffen hergestellt; sie sind damit widerstandsfähig, lassen sich in Apparaturen einbauen und in industrieller oder klinischer Umgebung zuverlässig nutzen. Solche Nanoporen werden am Fachbereich Materialwissenschaft der TU Darmstadt in Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung mit der Ionenspur-Ätzmethode als Einzelporen, eine derzeit nur in Darmstadt verfügbaren Technik, hergestellt. Ihre state-of-the-art Technik als Sensor bzw. für Analytik wurde bereits erfolgreich demonstriert. Als synthetische Poren bleiben sie aber in ihrer Leistungsfähigkeit in Bezug auf Selektivität und Sensitivität hinter denen der biologischen Nanoporen zurück. Die Kopplung biologischer Nanoporen mit synthetischen Kunststoff-Nanoporen als biotechnologisches Hybridsystem soll im Zuge des Verbundprojektes zu einer neuen Generation sensorischer Devices führen für das eine bis dato unerreichte Leistungsfähigkeit zu erwarten ist und die in der Analytik und Biomedizin zum Einsatz kommen sollen.
Erkenntnisse und getätigte Entwicklungen
Durch iNAPO wurde die Vision einer neuen Generation von Nanosensoren, die die gewünschten positiven Eigenschaften synthetischer und biologischer Nanoporen vereinigt, innerhalb der Projektlaufzeit verwirklicht. Die Ergebnisse liefern vielversprechende Resultate, die in Folgeprojekten weiterentwickelt werden sollen. Auch konnten viele neue Entwicklungen umgesetzt werden und erste Patente dazu wurden bereits erteilt. Die experimentell Forschenden wurden sehr erfolgreich von theoretischen Arbeitsgruppen unterstützt und die erstellten Modelle konnten wichtige Grundlagen für die experimentellen Gruppen liefern.
Während der Laufzeit des Schwerpunkts wurde der iNAPO Workshop 2017 unter dem Motto "iNAPO for Sensors: Formation, Characterization and Modelling" am 8 –9. Juni 2017 im Georg Christoph Lichtenberg-Haus in Darmstadt durchgeführt. Geladene internationale Gäste sowie der wissenschaftliche Nachwuchs und Promovierende aus dem LOEWE-Schwerpunkt iNAPO stellten die neusten Ergebnisse und Techniken in der Nanoporen-Forschung vor. Insbesondere der wissenschaftliche Nachwuchs profitierte hiervon maßgeblich, indem sich die Teilnehmenden international präsentieren und mit wichtigen Größen des Nanoporen-Forschung vernetzen konnten.
Auch die regelmäßig stattfindenden Treffen der Promovierenden waren ein wichtiger Faktor, der zum engen Zusammenwachsen der Forschenden aus den verschiedenen interdisziplinären Fachrichtungen beitrug. Ein reger Austausch unter den Beteiligten fand zudem auf den jährlich ausgerichteten Retreats statt, zu denen die Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler der einzelnen Projekte in zahlreichen Vorträgen einen Überblick über die bisher erreichten Forschungsergebnisse gaben. Zur intensiven Vorbereitung der Promovierenden auf ihre Karriere wurden gemeinsam mit dem LOEWE-Schwerpunkt CompuGene an der TU Darmstadt verschiedene, spezifisch auf die Bedürfnisse der Promovierenden zugeschnittene Workshops organisiert, welche stets äußerst positiven Anklang fanden. Mit dem Ziel, ingenieur- und naturwissenschaftliche Positionen zusammenzuführen, veranstaltete iNAPO eine Seminarreihe, zu der die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler regelmäßig internationale Vortragende einluden.
Auf dem Gebiet der Nachwuchsförderung gelang mit der Schaffung von drei zusätzlichen Promotionsstellen die erfolgreiche Integration innovativer Arbeitsgruppen; Im Zuge des LOEWE-Projekts iNAPO wurden die drei Nachwuchsgruppen von Jun.-Prof. Dr. Annette Andrieu-Brunsen, Dr. Alesia Tietze und Dr.-Ing. Markus Gallei im Fachbereich Chemie mit je einer Doktorandenstelle gefördert sowie eine neue Juniorprofessur zu dem Thema „Protein Engineering von ionenleitenden Nanoporen“ mit Prof. Dr. Viktor Stein besetzt. Alle vier Arbeitsgruppen konnten nicht nur selbst von der Integration profitieren, sondern trugen auch entscheidend zum Gelingen des Projekts bei. Die Nachwuchswissenschaftlerin Dr. Alesia Tietze wurde zu einer von fünf Athene Young Investigators ernannt. Im hochkompetitiven Ernennungsverfahren attestierten ihr nationale und internationale Gutachter hohes Potenzial für Forschung und Lehre. Die im Jahr 2017 als Professorin in Darmstadt berufene Professorin Dr. Annette Andrieu-Brunsen wurde mit dem Forschungsprojekt „3D-FNP Writing“ vom Europäischen Forschungsrat (ERC) für exzellente und innovative Grundlagen- und Pionierforschung mit einem ERC Starting Grant gefördert. Bis zum Ende der Laufzeit wurden zudem Dr. Alesia Tietze und Dr.-Ing. Markus Gallei auf Professuren in Schweden beziehungsweise Saarbrücken berufen. Die konsequente frühzeitige strukturierte Förderung hochtalentierter Nachwuchskräfte führte zu einer nachhaltigen Steigerung des Outputs an nutzbarem Know-how von iNAPO.
Der wissenschaftliche Beirat des LOEWE-Projekts iNAPO kam im März 2017 zu einem Treffen an der TU Darmstadt zusammen. Nach den Vorträgen der iNAPO-Mitglieder gaben die Beiratsmitglieder in einer ausführlichen Diskussion Unterstützung zur weiteren Entwicklung des Forschungsvorhabens.
Mit einer Gesamtsumme von am iNAPO Schwerpunkt beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bisher eingeworbenen Drittmitteln von über 10.863.672,- Euro (DFG, BMBF, DAAD, Stiftungen, EU- und Industriemittel) wurde das gesetzte Ziel weit übererfüllt. In den vier Jahren der Förderung sind 123 peer-reviewed Publikationen veröffentlicht worden. iNAPO-Mitglieder haben 173 Vorträge bei Fachtagungen gehalten und somit den Standort Hessen, die TU Darmstadt und die Forschungsleistung des LOEWE-Schwerpunkts repräsentiert.
Erreichte Strukturentwicklung
Im Rahmen der Arbeit des LOEWE-Schwerpunkts iNAPO konnte erfolgreich fachbereichsübergreifend die Expertise der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf dem Gebiet der ionenleitenden Nanoporen an der Technischen Universität Darmstadt und exzellenter nationaler sowie internationaler Kooperationspartner gebündelt werden und so seit der Gründung erfolgreich zur Profilbildung des Standorts Darmstadt beitragen.
Mit der Schaffung des Zentrums für Synthetische Biologie an der Technischen Universität Darmstadt konnte darüber hinaus eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Hessen angesiedelt werden. Mit ihrem wissenschaftlichen Fokus und dem verfügbaren Methodenspektrum weist sie ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal auf. Die parallel dazu aufgebaute Graduiertenschule „Life Science Engineering“ ist für die interdisziplinäre Ausbildung und Vernetzung des wissenschaftlichen Nachwuchses des Zentrums zuständig. Insbesondere die erreichte enge Vernetzung der verschiedenen Fachbereiche an der TU Darmstadt innerhalb des LOEWE-Schwerpunkts und die verstärkten Bemühungen eine gemeinsame Sprache zur Beschreibung und Lösung von Problemen zu finden, hat eine große strukturelle Bedeutung für die weitere Forschung auf dem Gebiet. Außerdem konnten wir durch vielfältige Formen der Wissenschaftskommunikation (z.B. auf dem Hessentag oder durch die Erstellung von Beiträgen in Fernsehen und Printmedien) eine wertvolle Expertise aufbauen, die auch weiterhin verstärkt genutzt werden soll.
Erreichte Bedeutung/Stellung im Themen-/Forschungsfeld
Innerhalb des Förderzeitraums ist es gelungen, durch strategische, strukturelle und wissenschaftliche Leistungen in Darmstadt eine nachhaltige Profilbildung auf dem Gebiet der Nanoporen-Forschung zu erreichen. Die Kombination der Fachbereiche Biologie, Materialwissenschaften, Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften mit jeweils führenden Expertisen der beteiligten Gruppen schafft eine hohe internationale Sichtbarkeit mit einer sehr hohen Zahl an Veröffentlichungen in hochrangigen Zeitschriften. Die Sichtbarkeit des Standorts wird durch die Veranstaltung internationaler Symposien, Seminare sowie Fort- und Ausbildungsmaßnahmen weiter erhöht.
Die unmittelbare räumliche Nähe zum GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung GmbH – eine der größten und weltweit einmaligen Beschleunigeranlage für Ionen in Deutschland – und die enge Verzahnung zwischen innovativen Ingenieurswissenschaften und naturwissenschaftlich-orientierter Forschung schafft beste Voraussetzungen für die weitere erfolgreiche und nachhaltige Entwicklung des Schwerpunkts im Rahmen des Zentrums für Synthetische Biologie.
Die Bedeutung der Anwendung der in iNAPO erzielten Ergebnisse zeigt sich vor allem in der patentierten Entwicklung eines auf Nanoporen basierenden Sensors zur Erkennung von Prostata-Tumormarkern. Zudem soll in Zusammenarbeit mit dem DAAD ein weiteres Projekt der Trinkwasseranalyse in Entwicklungsländern koordiniert werden, wobei toxische Substanzen, wie Schwermetalle oder Pestizide direkt vor Ort nachgewiesen werden können. Ziel des Vorhabens ist die Herstellung und Entwicklung von nanoporen-basierter Wasseranalytik für zukünftige tragbare (Kompakt-)Geräte.
Während sich die Forschung des iNAPO-Schwerpunkts vor allem auf nanoporen-basierte Sensorik von Biomolekülen konzentriert (zum Beispiel zur medizinischen Diagnostik), werden die Membranen mit Durchmessern im Nanometerbereich von der AG Ensinger auch zum Abtrennen und zur Sensorik von Viren in Wasserproben erprobt – in der aktuellen Situation z.B. von COVID-19-Viren in Abwässern.
Wichtigste Meilensteine des Projektes
- Nachwuchs-Gruppen assoziiert
Im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts iNAPO wurden die drei Nachwuchsgruppen von Jun.-Prof. Dr. Annette Andrieu-Brunsen, Dr. Alesia Tietze und Dr.-Ing. Markus Gallei im Fachbereich Chemie mit je einer Doktorandenstelle gefördert.
- Preisverleihung Land der Ideen 2016
Der LOEWE Schwerpunkt iNAPO zählt zu den erfolgreichen Preisträgern 2016 im Innovations-Wettbewerb „Ausgezeichnete Orte im Land der Ideen“. Der im Rahmen des LOEWE-Exzellenzprogramms des Landes Hessen geförderte Schwerpunkt wurde von einer unabhängigen Expertenjury aus rund 1.000 Bewerbungen ausgewählt. Die Preisübergabe fand am 13. Juli 2016 mit der Parlamentarische Staatssekretärin beim Bundesminister für Wirtschaft und Energie Brigitte Zypries statt.
- iNAPO Juniorprofessur Protein-Engineering von ionenleitenden Nanoporen
Dr. Viktor Stein hat zum 1. August 2016 die Professur "Protein-Engineering von ionenleitenden Nanoporen" im Rahmen des LOEWE-Forschungsschwerpunkts iNAPO angetreten.
- iNAPO-Workshop Juni 2017 in Darmstadt
Im Juni 2017 veranstaltete der LOEWE Schwerpunkt iNAPO ein internationales 3-tägigs Symposium im Georg-Christoph-Lichtenberg-Haus in Darmstadt.
- Zertifikatübergabe durch Ministerin Angela Dorn
Am 24. Juli 2019 überreichte Frau Ministerin Angela Dorn in einer Feierstunde mit über 50 Teilnehmenden die Zertifikate für die Abschlussfinanzierung (2019) der beiden LOEWE-Schwerpunkte CompuGene und iNAPO an die jeweiligen Sprecher. Prof. Heinz Köppl und Prof. Bodo Laube. Beide gaben einen kurzen Bericht über die den derzeitigen Stand und die erreichten Erfolge der beiden Schwerpunkte. Mario El Khoury (AG Schlaak) zeigte der Ministerin mit Hilfe eines Mikroskops die Wafer und Prof. Bodo Laube erklärte ihr die Anwendungsmöglichkeiten.
- Teilnahme an den Hessentagen 2016 - 2019
Unter dem Motto "Wie schafft es die Natur ..." war der LOEWE-Schwerpunkt iNAPO insgesamt vier Jahre auf dem Hessentag am Stand von Hessen schafft Wissen vertreten. Hier ein Bild der iGEM Teilnehmer die zur Unterstützung auf dem Hessentag in Rüsselsheim waren.