SNI INSight Dezember 2024
Einblicke in Forschung und Aktivitäten am Swiss Nanoscience Institute
Nanowissenschaften
SNI
Swiss Nanoscience Institute
Universität Basel
Nanotechnologie
Nano-Netzwerk
Innovation
SNI INS ight Einblicke in Forschung und Aktivitäten am Swiss Nanoscience Institute Dezember 2024 Anwendung Interdisziplinarität Erfahrung Innovation Künstliche Intelligenz zur Projekte aus den Umwelt- Zwei Gastbeiträge über Neues Konzept für Vorhersage von Protein- wissenschaften, bei denen Masterarbeiten im Ausland Workshop der strukturen «Nano» eine Rolle spielt SNI-Doktorandenschule
Inhalt 3 Editorial 4 Mit künstlicher Intelligenz zur dreidimensionalen Struktur Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung von «AlphaFold» 10 «Nano» in den Umweltwissenschaften Beispiele von nanowissenschaftlichen Anwendungen 15 Nano Image Award 16 Gastbeitrag Gregory Zaugg Masterarbeit am Jet Propulsion Laboratory (CA, USA) 17 Wie weit reist euer Becher? 18 Gastbeitrag Alexa Dani Masterarbeit in Groningen (NL) 20 Fördermittel für SNI-Mitglieder Verschiedene Grants ermöglichen innovative Forschungsansätze 24 SNI-Startup-Workshop: «From Lab to Startup» 26 Auszeichnungen 26 Neuigkeiten aus dem SNI-Netzwerk 32 SNI jetzt auf BlueSky
Editorial Aargau statt. Ein herzliches Dankeschön geht hier an das Team vom neu erö昀昀neten Park Innovaare, das als Gast- geber diesen interessanten, interdisziplinären Austausch über Nano-Argovia-Projekte ermöglicht hat. Neue Nano-Argovia-Projekte werden auch im kommenden Jahr beginnen. In der letzten Sitzung des Exekutivkomitees haben wir die fünf vom Gutachteraus- schuss empfohlenen neuen angewandten Projekte sowie fünf Verlängerungen genehmigt. Neben diesen diversen Themen rund um SNI- Forschung 昀椀ndet ihr in dieser Ausgabe zwei Gastbeiträge von ehemaligen Studierenden der Nanowissenschaften. Alexa Dani berichtet dabei von ihrer Masterarbeit in Gro- ningen und Greogory Zaugg von seiner Masterarbeit bei der NASA – beides tolle Beispiele für die Möglichkeiten, die ein Studium der Nanowissenschaften in Basel bietet. Nun bleibt mir noch euch allen frohe Festtage und einen guten Start in ein gesundes und inspirierendes neu- es Jahr zu wünschen. Es ist ein Privileg, Teil dieses dynami- schen, interdisziplinären Netzwerks zu sein – herzlichen Liebe Kolleginnen und Kollegen, liebe Nano-Interessierte Dank für eure grossartige Arbeit und euer Engagement für das SNI und die Nanoforschung. Ich freue mich auf Es freut mich, euch am Ende des Jahres noch ein «SNI viele weitere Aktivitäten und Interaktionen innerhalb des INSight» voller Information rund um Forschung und SNI-Netzwerks im neuen Jahr. Aktivitäten aus unserem Netzwerk zu präsentieren. Es geht los mit einem Interview zu der künstlichen Intel- Mit freundlichen Grüssen ligenz «AlphaFold». Ihre Entwickler haben kürzlich den Chemie-Nobelpreis bekommen, da die KI die Vorhersage für dreidimensionale Proteinstrukturen revolutioniert hat. Auch innerhalb unseres Netzwerks nutzen zahlrei- che Forschende AlphaFold und wir nennen hier einige Beispiele. Wir widmen uns dann dem Thema «Nano und Prof. Dr. Martino Poggio, SNI-Direktor Umwelt». Dabei zeigen wir beispielhaft, wie Projekte des SNI zu positiven Impulsen im Bereich der Umweltwissen- schaften beitragen und wo es weiteren Forschungsbedarf gibt. Bereits im letzten «SNI INSight» haben wir eine Rubrik aufgenommen, in der wir über Grants berichten, für die SNI-Mitglieder in den letzten Monaten eine Zu- sprache bekommen haben. Mit dieser Information rund um diverse Forschungsthemen, die innerhalb Netzwerks bearbeitet werden, möchten wir den Informations昀氀uss und die Zusammenarbeit im Netzwerk fördern. Vielleicht können wir auf diese Weise auch Ideen für gemeinsame Forschungsprojekte anstossen. Zum Netzwerken und Ideenaustausch bieten auch SNI-Anlässe wie der Annual Event und der NanoTec Apéro – die beide im zweiten Halbjahr des Jahres stattfan- den – ideale Plattformen. Für den Annual Event haben wir uns bereits zum zweiten Mal am Hallwiler See getro昀昀en und auch der NanoTec Apéro fand dieses Jahr im Kanton SNI INSight Dezember 2024 3
Mit künstlicher Intelligenz zur Weitere Informationen dreidimensionalen Struktur AlphaFold Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung https://alphafold.ebi.ac.uk Nobelpreis von «AlphaFold» https://www.nobelprize.org Veröffentlichungen in Nature Der Nobelpreis für Chemie ging dieses Jahr zur Hälfte an die https://www.nature.com/ articles/d41586-019-01357-6 beiden Wissenschaftler Demis Hassabis und Dr. John Jumper vom https://www.nature.com/artic- Google-Forschungszentrum DeepMind. Die beiden haben wesent- les/d41586-024-03708-4 lich zur Entwicklung der künstlichen Intelligenz «AlphaFold» beigetragen, die es Forschenden weltweit ermöglicht, die dreidi- mensionale Struktur von Proteinen basierend auf der Sequenz von Aminosäuren vorherzusagen. Auch im SNI-Netzwerk nutzen zahlreiche Teams diese KI. Wir haben mit Dr. Janani Durairaj aus der Gruppe von Prof. Dr. Torsten Schwede (Biozentrum) und mit Prof. Dr. Timm Maier (Biozentrum) gesprochen, um Genaueres über Alphafold und seine Anwendungen zu erfahren. SNI INSight: Warum ist es wichtig die dreidimensionale Struktur eines Proteins zu analysieren? Timm Maier: Die dreidimensionale Struktur eines Proteins bestimmt, wie es mit anderen Molekülen in seiner Umgebung interagiert. Sie ist somit ein Schlüsselelement für die Spezi昀椀tät, Akti- vität und Regulierung von Proteinen. Bei einem Enzym beispielsweise muss die Form der Bindungsstelle perfekt zum Substrat passen, an das es bindet. Ändert sich die Form eines Enzyms, kann es zu einer Blockade der Reaktion kommen, die durch das Enzym katalysiert wird. Auch bei der Bil- dung grösserer Proteinkomplexe und bei Pro- teinen, die andere Funktionen erfüllen, ist die dreidimensionale Struktur entscheidend. Timm Maier erklärt, warum die dreidimensionale Struktur Wenn sich diese durch Mutationen, chemi- eines Proteins so wichtig ist. sche Modi昀椀kationen oder äusserre Ein昀氀üsse verändert, kann dies schwerwiegende Folgen SNI INSight: Was haben die Nobelpreis- für die Funktion des Proteins und somit für träger Demis Hassabis und John Jumper den gesamten Organismus haben. entwickelt? Die Kenntnis der Proteinstruktur hilft Forschenden bei der Entwicklung von Janani Durairaj: Die beiden haben wesent- Arzneimitteln, die mit Proteinen interagie- lich zur Entwicklung der künstlichen Intel- ren und deren Aktivität entweder blockieren ligenz AlphaFold2 beigetragen, welche die oder verstärken, oder bei der Entwicklung räumliche Struktur von Proteinen voraussa- von Proteinen mit neuen oder verbesserten gen kann, von denen nur die Aminosäurese- Funktionen. quenz bekannt ist. 4 SNI INSight Dezember 2024
Was sind Proteine? Proteine sind überlebenswichtige Maschinen des Proteine bestehen aus Aminosäuren, von denen es 20 Lebens, die in allen Lebwesen vorkommen. Sie ha- verschiedene gibt. Sie werden in langen Ketten durch ben im Körper ganz unterschiedliche Aufgaben und Peptidbindungen aneinander gereiht (Primärstruktur). spielen bei den meisten biologischen Prozessen eine Aufgrund von Interaktionen zwischen den Rückgrat- entscheidende Rolle. Sie fungieren beispielsweise in gruppen der Aminosäuren bildet sich eine gefaltete Form von Enzymen als Katalysatoren und machen Sekundärstruktur (z.B. alpha-Helix). Da auch die Seiten- zahlreiche chemische Reaktionen erst möglich. Als ketten der Aminosäuren miteinander wechselwirken, Kollagen geben sie Zellen und Geweben ihre Form und kommt es zur Bildung von dreidimensionalen Struktu- Festigkeit. Sie schützen uns in Form von Antikörpern ren (Tertiärstruktur), die für die Funktion eines Prote- vor Infektionen, dienen als Hormone und übertragen ins eine entscheidende Rolle spielen. In vielen Fällen Informationen. In Form von Hämoglobin transportie- besteht ein Protein aus mehreren dieser dreidimensi- ren sie Sauersto昀昀 und auch bei der Muskelkontraktion onalen Polypeptidketten, die dann in der Quartästruk- und Bewegung von Zellen sind Proteine beteiligt. Ohne tur einen Komplex bilden. Hämoglobin beispielsweise Proteine ist Leben nicht möglich. besteht aus vier Polypeptidketten. SNI INSight: Wie arbeitet Alphafold? Janani Durairaj: AlphaFold verwendet neuronale Netz- werke, um die 3D-Struktur von Proteinen vorherzusagen. AlphaFold nutzt die Aminosäuresequenz des zu untersu- chenden Proteins und sucht ähnliche Sequenzen in einer riesigen Datenbanken, die inzwischen über eine Milliarde sequenzierter Proteine von ganz unterschiedlichen Orga- nismen enthält. Dabei sucht AlphaFold nach sogenannten koevolutionären Signalen – das sind Aminosäurepaare, die sich im Laufe der Evolution gemeinsam verändert haben. Bereits vor den 90er Jahren existiert das Konzept, Koevolution für die Strukturvorhersage zu nutzen. Die Forschenden bemerkten, dass Aminosäurenpaare, die sich im Laufe der Evolution immer gemeinsam verändert haben, in der dreidimensionalen Proteinstruktur norma- lerweise miteinander in Kontakt stehen. Und auch um- gekehrt gilt die Annahme, dass sie sich wahrscheinlich Janani Durairaj arbeitet im Rahmen ihrer Forschung mit AlphaFold. gemeinsam entwickeln, wenn sie in Kontakt stehen. Darauf basierend sagt AlphaFold dann eine erste 3D-Struktur voraus, die der evolutionären Darstellung auch deren chemische Eigenschaften (z. B. hydrophil oder der eingegebenen Proteinsequenz am besten entspre- hydrophob). Die KI versteht immer besser, wie einzelne chen würde. Anhand einer zweiten Datenbank, in der Aminosäuren miteinander interagieren und ob sich eine etwa 200.000 experimentell ermittelte Proteinstrukturen Aminosäurenkette durch die Interaktion biegt, verknotet enthalten sind, lernt AlphaFold2 dann ständig dazu, wel- oder eine Schleife bildet. Auf dieser Grundlage berechnet che Aminosäuresequenzen zu welcher Proteinstruktur sie, wie sich das Protein im Raum zusammenfaltet. führen. Durch die Entwicklung dieses ausgeklügelten Schliesslich liefert AlphaFold2 ein detailliertes internen Modells, das das koevolutionäre Signal auf be- 3D-Modell des Proteins, das zeigt, wie sich die verschie- kannte Proteinstrukturen abbildet, ist AlphaFold2 in der denen Teile des Proteins (wie Schleifen, Helices und Blätt- Lage, dasselbe Modell zu verwenden, um unbekannte chen) zu einer funktionellen Form zusammenfügen. Strukturen vorherzusagen. Die KI analysiert auch die Wechselwirkungen zwi- schen den Aminosäuren, erkennt Muster durch Messung von Abständen und Winkeln zwischen den verschiedenen Aminosäuren und berücksichtigt über die Aminosäure SNI INSight Dezember 2024 5
SNI INSight: Ist Alphafold frei zugänglich? zierungsprojekten zwar Millionen von Proteinsequenzen von den unterschiedlichsten Organismen gibt, aber nur Timm Maier: Der Quellcode für die neuesten AlphaFold- Hunderttausende von experimentell ermittelten Prote- Versionen wurde erst mit einer Verzögerung nach der instrukturen, da jede Struktur Jahre komplexer Studien wissenschaftlichen Publikation freigegeben, ist aber benötigen kann, um gelöst zu werden. letztendlich seit November verfügbar. Wie auch bei AlphaFold lernt aus diesen Strukturen und Se- vielen anderen KI-Produkten basiert AlphaFold auf frei quenzen, um nun hochpräzise Vorhersagen für viele verfügbaren Daten, die grösstenteils durch akademische Millionen von Sequenzen zu ermöglichen, was uns der Institutionen generiert wurden. Die Nutzung der trai- Schliessung dieser Lücke sehr viel näher bringt. nierten Modelle ist im Gegensatz zu den zum Training verwendeten Daten nun auf nicht-kommerzielle Anwen- dungen limitiert, was die Gefahr einer Monopolisierung SNI INSight: Wie lange dauert die Analyse mit Alpha- neuer Methoden mit sich bringt. Allerdings ist die wissen- Fold? schaftliche Gemeinschaft schon in zahlreichen Projekten daran, gleichwertige Methoden auch frei zur Verfügung Janani Durairaj: Das DeepMind-Team hat in Zusammen- zu stellen. arbeit mit dem European Bioinformatics Institute des European Molecular Biology Laboratory (EMBL-EBI) die AlphaFold-Datenbank eingerichtet, in der Vorhersagen SNI INSight: Welche Au昀氀ösung haben die vorherge- für mehr als 200 Millionen Proteinsequenzen enthalten sagten dreidimensionalen Strukturen? sind. Innerhalb von Sekunden erhält man bei Nennung des Proteinnamens die Strukturvorhersage. Janani Durairaj: Die Au昀氀ösung von Proteinstruk- Die Zeit für eine Strukturvorhersage für eine be- turen wird in der Regel in der Grössenordnung von stimmte Sequenz, die nicht in der Datenbank enthalten -10 Angström (10 m) gemessen – was dem Bereich der ist, hängt von der Länge des Proteins und den zur Verfü- interatomaren Abstände entspricht. Experimentelle gung stehenden Rechenressourcen ab. Sie liegt zwischen Strukturbestimmungsmethoden wie die Röntgenkristal- Minuten und Stunden – was sich deutlich unterschiedet lographie erreichen Genauigkeiten von bis zu 1 Angst- von den Monaten und Jahren, die für die experimentelle röm. Bei monomeren Proteinen (Proteine mit nur einer Strukturaufklärung benötigt werden. Aminosäurenkette) kann AlphaFold diese Genauigkeit Eine sehr nützliche Community-Ressource ist Co- ebenfalls erreichen und liegt damit innerhalb des Fehler- labFold, eine interaktive webbasierte Plattform, auf der bereichs experimenteller Methoden. man eine Proteinsequenz eingibt und eine von AlphaFold vorhergesagte Struktur erhält, ohne dass ein Installati- Timm Maier: Wir sollten dabei beachten, dass ein Gross- onsprozess oder Rechenressourcen erforderlich sind. teil der Proteine aus mehreren Aminosäureketten besteht und dass in vielen Fällen eine «durchschnittliche» Genau- igkeit nicht sehr aussagekräftig ist. So können beispiels- SNI INSight: Wie zuverlässig sind die Vorhersagen von weise einzelne Mutationen in einem reaktiven Zentrum AlphaFold? eines Enzyms die Substratspezi昀椀tät komplett verändern, die Gesamtstruktur ändert sich im Durchschnitt aller Janani Durairaj: Mit jeder Strukturvorhersage liefert Aminosäuren dann jedoch nur um den Bruchteil eines AlphaFold eine Qualitätseinschätzung, die uns hilft die Angströms. SNI INSight: Es ist die Rede von riesigen Datenmen- gen, in welchen Bereichen bewegen wir uns da? Janani Durairaj: Wenn wir an alle möglichen 3D-Kon- formationen denken, die ein Protein annehmen kann, sprechen wir von einer astronomischen Anzahl mög- licher Konformationen. So könnte beispielsweise ein Protein mit 100 Aminosäuren theoretisch zu mehr als 198 3 verschiedenen Konformationen führen, selbst wenn man konservativ schätzt. Dies schliesst die Aufzählung dieser Konformationen als algorithmische Lösung für die Vorhersage von Proteinstrukturen sofort aus. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, gibt Janani Durairaj, die als Ambizione-Stipendiatin ihre eigene Forschungs- es die sogenannte «Sequenz-Struktur»-Lücke. Diese be- gruppe aufbaut, hat intensiv an der Erstellung des «Protein Universe At- sagt, dass es aufgrund von weltweit laufenden Sequen- las» mitgearbeitet. Dies ist ein Webdienst, mit dem Nutzer:innen durch ein Universum aus Millionen bekannter Proteine navigieren können. SNI INSight Dezember 2024 6
Zuverlässigkeit der Vorhersage einzuordnen. liefern. Wir können beispielsweise mit der Swiss Light Es sind vor allem zwei Gründe, die dahingehend für Un- Source am Paul Scherrer Institut innerhalb einer Woche terschiede sorgen. Zum einen sind Proteine sehr 昀氀exibel rund Hundert Proteine analysieren – vorausgesetzt wir und dynamisch. Die statische Struktur, die wir norma- haben Kristalle zur Hand. Zudem eignet sich die Röntgen- lerweise betrachten, spiegelt also nur einen Zeitpunkt kristallographie bestens für spannende Spezialanwen- oder eine mögliche Konformation des Proteins wider. dungen wie die Untersuchung von Metallionen. Mit dem Einige Regionen von Proteinen be昀椀nden sich in ständi- freien Röntgenlaser SwissFEL lassen sich beispielsweise ger Bewegung, die als intrinsisch ungeordnet bezeichnet auch dynamische Prozesse wie die Bindung von Molekü- werden. Jeder Versuch, diesen Regionen einen festen Satz len in Echtzeit verfolgen. von 3D-Koordinaten zuzuordnen, ist nicht sinnvoll oder Für grössere Proteine eignet sich die Kryo-Elek- interpretierbar. tronenmikroskopie (Kryo-EM), mit der wir inzwischen Zum anderen gibt es etliche Proteine, für die es auch sehr grosse Proteinkomplexe abbilden können und nur wenige koevolutionäre Signale gibt. Da sich Alpha- damit genaue Information über die Struktur erhalten. Fold bei der Vorhersage jedoch darauf stützt, sind gute Kryo-EM ist allerdings bei weitem nicht so schnell wie die Vorhersagen nicht möglich, wenn diese Signale nur spär- Röntgenkristallographie. Zudem generieren wir unglaub- lich vorhanden sind. Aus diesem Grund hat AlphaFold lich grosse Datenmengen, die wir für lange Zeit speichern seine Grenzen, so zum Beispiel bei der Vorhersage von müssen – was einen enormen Kostenfaktor darstellt. Strukturen von Viren-Proteinen, Antikörper-Antigen- Wir setzen auch NMR (Nuklearmagnetische Reso- komplexen oder bei der Untersuchung des Ein昀氀usses von nanz) zur Strukturaufklärung ein – vor allem für kleine Mutationen auf die Struktur. Auch für die Untersuchung Proteine in Lösung und zur Untersuchung von Interakti- von Bindungen biologischer oder synthetischer Molekü- onen und ihrer Dynamik in der Zelle. NMR ist allerdings le wie bei der Suche nach neuen Medikamenten gibt es schwierig und zeitaufwändig bei grossen Proteinen und Einschränkungen. erfordert Isotopenmarkierung. Für das schnelle «Testen» Die von AlphaFold gelieferten Kon昀椀denzwerte von Faltungen oder dem spezi昀椀schen Auslesen bestimm- spiegeln diese Unsicherheiten normalerweise wider. Für ter Eigenschaften ist NMR jedoch sehr e昀昀ektiv. uns bietet das die Möglichkeit, sich auf die Teile der Pro- Jede dieser Methoden hat ihre spezi昀椀schen Vor- teine bzw. die Proteine zu konzentrieren, bei denen die und Nachteile, und die Wahl der Methode hängt von der Vorhersage zuverlässig ist und die Fälle anzuzeigen, in Art des Proteins, der Verfügbarkeit von Ressourcen und denen es keine guten Vorhersagen machen kann. dem gewünschten Detailgrad der Struktur ab. SNI INSight: Welche Methoden gibt es für die SNI INSight: Werden diese Methoden jetzt durch experimentelle Strukturaufklärung? AlphaFold ersetzt? Timm Maier: Auch bei der Entwicklung experimenteller Janani Durairaj: Experimentelle Methoden und Alpha- Methoden zur Strukturaufklärung hat es in den letzten Fold ergänzen sich. Eine nützliche Analogie ist hier Wiki- Jahren enorme Fortschritte gegeben. Nach wie vor spielt pedia gegenüber ChatGPT. Sorgsam geprüfte experimen- die Röntgenkristallographie eine wichtige Rolle. Sie ist telle Strukturen sind dabei mit Wikipedia zu vergleichen bestens geeignet, um mit einem hohen Durchsatz hoch- und die Vorhersagen durch AlphaFold mit ChatGPT. Die au昀氀ösende Strukturen von kleinen Proteinmolekülen zu geprüften, experimentellen Strukturen enthalten viele Informationen über spezi昀椀sche biologisch relevante Wechselwirkungen und Mechanismen für eine kleinere Teilmenge bekannter Proteine. AlphaFold2 dagegen lie- fert Vorhersagen für eine weit grössere Anzahl von Prote- inen, für die es bisher keine experimentelle Struktur gibt und liefert damit sehr gute Ausgangspunkte für weitere Untersuchungen. Timm Maier: Ganz im Gegenteil, AlphaFold und ver- wandte Methoden sind ein wichtiger Beitrag zur notwen- digen Weiterentwicklung der experimentellen Analyse. Vor 20–30 Jahren lag der Fokus der experimentellen Strukturbestimmung bei der Aufklärung neuer prinzi- pieller Proteinfaltungen. Man wollte damit Daten aus der Genomforschung nutzen, um den Faltungsraum von Timm Maier und sein Team kombinieren experimentelle und compu- Proteinen zu erkunden. Dieser Prozess ist seit langem tergestütze Methoden wie AlphaFold zum Untersuchen von isolierten abgeschlossen. Heute beschäftigt sich die experimentel- Proteinen und Proteinen in Zellen, um die Dynamik und die Funktion in le Strukturbiologie mit der Frage wie die dynamischen der Zelle besser verstehen zu lernen. SNI INSight Dezember 2024 7
Interaktionen und verschiedenen Funktions- Beispiel der Abbau eines bestimmten Kunst- Weitere zustände von Proteinen dazu beitragen, zel- sto昀昀s. Wir haben kürzlich erstmals in einem Informationen luläres Leben zu ermöglichen – idealerweise Blockkurs mit Studierenden gezeigt, wie gut durch Betrachtung von Proteinen in ihrer dieses Proteindesign heute schon funktio- Forschungsgruppe natürlichen Umgebung in der Zelle. Vorlagen niert und wie schnell wir zu erstaunlichen Timm Maier https://www.biozentrum. für die Faltung einzelner Proteine aus einer Ergebnissen und ganz neuen Proteinen kom- unibas.ch/about/administ- KI sind dabei ein notwendiges Hilfsmittel, men. Die experimentelle Strukturaufklärung ration/administration-a-z/ overview/unit/research-group- um in einer Zelle bestimmte Proteine wie- ist dann aber gefragt, um das Proteindesign timm-maier derzuerkennen. zu optimieren und auch die Designmethoden Forschungsgruppe Gleichzeitig scha昀昀en Methoden des zu verbessern. In diesem Sinn scha昀昀t maschi- Sebastian Hiller: maschinellen Lernes auch die Möglichkeit nelles Lernen sogar zusätzlichen Bedarf an https://www.biozentrum.uni- neue Proteine am Computer zu entwerfen, experimenteller Strukturaufklärung. bas.ch/about/administration/ administration-a-z/overview/ die ganz spezi昀椀sche Aufgaben erfüllen – zum unit/research-group-sebastian- hiller Anwendungsbeispiele von Alpha- Fold durch SNI-Mitglieder Verständnis des Protein-Stoffwechsels mittels Kryo-Elektronentomographie die Das Team von Prof. Dr. Timm Maier (Biozen- CO-Fixierung und Photosynthese. Die 2 trum, Universität Basel) konzentriert sich in Forschenden verwenden KI-Tools zur Inter- der Forschung auf die Architektur und die pretation der 3D-Bilder, die sie im Inneren Funktionsprinzipien von Multienzymen verschiedener Algenarten aufnehmen. Alp- und regulatorischen Proteinkomplexen – haFold hilft ihnen, die Strukturen der Prote- wie den mTOR-Komplex. Die Forschenden inkomplexe zu verstehen, die sie im Inneren kombinieren experimentelle und compu- der Zellen sehen. tergestütze Methoden wie AlphaFold zum Untersuchen von isolierten Proteinen und Proteinen in Zellen, um die Dynamik und die Funktion in der Zelle besser verstehen zu lernen. Dieses grundlegende Verständnis des Sto昀昀wechsels und der Sto昀昀wechselregu- lierung zeigt direkt Möglichkeiten für den Einsatz neuer Medikamente auf. Die Gruppe von Prof. Dr. Sebastian Hiller (Biozentrum, Universität Basel) benutzt AlphaFold zur Vorhersage von Proteinstruk- turen. Dabei handelt es sich sowohl um einzelne Proteine wie auch Oligomere und Proteinkomplexe. Zum Beispiel untersuchen die Forschenden die Proteine der Aussen- membran von Bakterien, die durch ein Fliessband von sogenannten Chaperonen hergestellt werden. Die KI dient dabei der Bildung von Hypothesen, der Validierung von Ergebnissen und der Identi昀椀kation re- levanter Ziele – beispielsweise für die Ent- wicklung neuer Antibiotika. Interpretation von Daten Ben Engel (links) und SNI-Doktorand Philippe Van Das Team von Professor Dr. Ben Engel der Stappen (rechts) kontrollieren Algenkulturen, die leistungsfähige Mechanismen zur ef昀椀zienten CO - (Biozentrum, Universität Basel) untersucht 2 Fixierung entwickelt haben. 8 SNI INSight Dezember 2024
Weitere Informationen Einsatz bei der Entwicklung künstlicher Enzyme Die Gruppe von Prof. Dr. Thomas Ward (Departement Chemie, Universität Basel) setzt Forschungsgruppe AlphaFold ein, um die Entwicklung künstlicher Enzyme zu unterstützen, die sich als Kata- Thomas Ward lysatoren in nachhaltigen Produktionsprozessen der chemischen oder pharmazeutischen https://ward.chemie.unibas. Industrie eignen. Die Forschenden können AlphaFold hier beispielsweise zur Validierung ch/en/ von Entwürfen verwenden, die mit anderen Berechnungswerkzeugen oder durch Rational Engineering gewonnen wurden. Sie überprüfen die erwartete Struktur eines neuen Enzyms auf einfache Weise und vergleichen sie mit den Designvorgaben. Darüber hinaus können die vorhergesagten Strukturen helfen, die Funktion neuer Enzyme zu verstehen. Zudem können die Forschenden die Information verwenden, um Teile des Enzyms zu identi昀椀zie- ren, die beispielsweise zur Verbesserung der Aktivität geändert werden müssen. «Bisher waren zeitaufwändige, oft schwierige Experimente für die Strukturanalyse notwendig. Mit AlphaFold kann eine vorhergesagte Struktur mit (oft) ausreichender Genauigkeit innerhalb von Minuten bis Stunden von einfachen Webservern abgerufen werden», bemerkt Dr. To- bias Vornholt aus dem Ward-Team. Der SNI-Doktorand Damian Graf arbeitet im Team von Thomas Ward. SNI INSight Dezember 2024 9
«Nano» in den Umweltwissenschaften Weitere Informationen Beispiele von nanowissenschaftlichen Nano-Argovia- Projekt DeePest Anwendungen https://nanoscience.unibas. ch/de/forschung/angewandte- forschung/argovia-projekte- Bisher haben wir in SNI-Publikationen zu Nanowissenschaften vor 2019/#c1252 allem über Themen aus der Nanophysik, Nanochemie, Nanobio- Nano-Argovia- logie oder Nanomedizin berichtet. Allerdings gibt es auch immer Projekt NANOdePET https://nanoscience.unibas. ch/de/forschung/angewandte- mehr nanowissenschaftliche Anwendungen in den Umweltwis- forschung/argovia-projekte- senschaften. In unserem Strategiepapier 2024–2034 haben wir die- 2024/#c7672 se Entwicklung berücksichtigt, indem wir aufgenommen haben, auch Herausforderungen in den Umweltwissenschaften anzuge- hen, die mithilfe von «Nano» adressiert werden können. In diesem «SNI INSight» geben wir nun einen Einblick in Gebiete und Frage- stellungen aus den Umweltwissenschaften, an denen Mitglieder des SNI-Netzwerks schon in der Vergangenheit beteiligt waren. Zudem stellen wir einige interessante Felder der Umweltwissen- schaften vor, bei denen Nanotechnologie eine Rolle spielt. Viel- leicht sind dies Themen, zu denen in Zukunft SNI-Mitglieder mit innovativen Lösungen beitragen können. Die Umweltwissenschaften sind – wie die hochschule Nordwestschweiz FHNW) eine Nanowissenschaften – ein sehr breites Ge- vollautomatische Methode entwickelt, um biet. Die Anwendungen, bei denen Nano- auch geringe Konzentrationen verschiedener wissenschaften und Nanotechnologie eine Pestizide im Trinkwasser nachzuweisen. Sie Rolle spielen, sind daher enorm vielfältig. untersuchten dazu verschiedene nanostruk- Vor allem die Analyse und Reduzierung turierte Kunststo昀昀e, mit denen die Pestizide der Verschmutzung von Luft und Wasser, in einer Filtrationssäule gezielt angereichert die Fixierung von CO , die Herstellung und werden. Diese Säule ist zudem mit anwen- 2 dungsspezi昀椀schen Sensoren ausgestattet, Speicherung erneuerbarer Energien und die (Rück)Gewinnung von Rohsto昀昀en sind um beispielsweise Glyphosat, Atrazin und Themen, bei denen Nanotechnologie einen Naphthalin nachzuweisen. wertvollen Beitrag leisten können. Aber auch Bereiche wie die Reduktion des Energiever- «In einem nächsten Schritt wird brauchs durch Miniaturisierung stellt eine das Projektteam die wichtige Verbesserung zu Gunsten der Um- welt dar, bei der nanowissenschaftliche Er- Konzentrationstechnik verbessern kenntnisse eine entscheidende Rolle spielen. und sie mit einigen der neuesten Pestizide im Trinkwasser detektieren Sensortechnologien kombinieren. Pestizide, die das Trinkwasser verunreinigen, Dadurch soll das Spektrum der sind weltweit ein grosses Problem. Selbst in Pestizide, die unser kostengüns- sehr geringen Mengen können sie gesund- tiges tragbares Gerät nachweisen heitsschädlich sein. Um diese geringen Men- gen aufzuspüren, ist eine genaue Analyse mit kann, erweitert werden.» hochentwickelten Geräten erforderlich – al- lerdings in zahlreichen Fällen oft nicht mög- Prof. Dr. Joris Pascal, Hochschule für Life lich. Im Nano-Argovia-Projekt DeePest haben Sciences FHNW Forschende um Projektleiter Prof. Dr. Joris Pascal (Hochschule für Life Sciences, Fach- 10 SNI INSight Dezember 2024
Filtermembranen aus Nanomaterialien molekularer Ebene arbeitet. Dies ermöglicht eine beson- Um unsere Umwelt zu schützen, müssen Verunreinigun- ders gründliche Reinigung von Trinkwasser – auch bei gen und Schadsto昀昀e im Trinkwasser nicht nur detektiert, starker Verschmutzung – und könnte eine Lösung zur sondern auch entfernt werden. Dazu werden weltweit Verbesserung der globalen Wasserversorgung darstellen. verschiedene Ansätze der Wasser昀椀ltration mit nanotech- Verschiedene Forschungsansätze (ausserhalb des SNI) zei- nologischen Reinigungsmethoden erforscht. Vor einigen gen, dass sich Kohlensto昀昀nanoröhren nicht nur für die Jahren haben dazu Forschende aus dem Departement Eliminierung von Viren, Bakterien, Schwermetallen eig- Chemie der Universität Basel untersucht, ob sich Poly- nen, sondern auch für die Entsalzung von Wasser grosses mer-Vesikel als Wasser昀椀lter einsetzen lassen. Potenzial bieten. Die Gruppe um Prof. Dr. Wolfgang Meier, der 2022 verstorben ist, hat dazu Vesikel mit dem bakteriel- Mit Enzymen gegen Plastikmüll len Wasserkanal-Protein Aquaporin Z (AqpZ) ausgestattet Nicht nur Pestizide verschmutzen Gewässer, auch und die Durchlässigkeit für Wasser und andere Sto昀昀e verschiedene Kunststo昀昀e sind ein Problem für unsere untersucht. Umwelt. Polyethylenterephthalat (PET) ist mit einer Die verwendeten Vesikel bestehen aus einem weltweiten Produktion von über 55 Millionen Tonnen speziellen Polymer, das praktisch wasserundurchlässig einer der häu昀椀gsten Kunststo昀昀e und daher ein Haupt- ist. Wenn das AqpZ-Protein in die Membran der Vesikel bestandteil von Plastikmüll. Es gibt zwar Methoden, um eingebaut wird, erhöht sich jedoch die Wasserdurch- PET wieder zu verwerten. Jedoch verschlechtert sich die lässigkeit um das bis zu 800-fache. Gleichzeitig werden Qualität bei jedem Recyclingdurchgang und es entstehen bestimmte Sto昀昀e wie Glukose, Glycerin, Salz und Harn- schädliche Abbauprodukte. sto昀昀 vollständig zurückgehalten – all dies mit einem Im Nano-Argovia-Projekt NANOdePET unter sehr geringen Energieaufwand. Diese Ergebnisse deuten Leitung von Prof. Dr. Patrick Shaghaldian (Hochschule darauf hin, dass AqpZ-haltige Membranen in der Was- für Life Sciences FHNW) arbeiten Forschende an einer seraufbereitung besonders e昀昀ektiv sein können, da sie verbesserten Abbau-Methode. Sie immobilisieren PET- selektiv Wasser 昀椀ltern und deutlich durchlässiger sind als aufspaltende Enzyme (Esterhydrolasen) mit nanotechno- herkömmliche Membranen. logischen Methoden auf einem Siliziumdioxidkern und Es gibt noch weitere Nanomaterialien wie Koh- stabilisieren sie mithilfe von sogenannten künstlichen lensto昀昀nanoröhren, Graphenoxid oder nanoskalige Chaperonen. Die Forschenden erzielen damit eine hö- Metalloxide, die extrem kleine Porengrössen besitzen here Stabilität und Umsetzungsrate als dies bei gelösten und daher Viren, Bakterien, Schwermetalle und andere Enzymen der Fall ist. Eine Hülle aus organischem Sili- Chemikalien e昀昀ektiv heraus昀椀ltern können. Im Vergleich ziumdioxid von kontrollierter Dicke schützt die einge- zu herkömmlichen Filtersystemen bietet die Nano昀椀lt- setzten Enzyme vor äusseren Ein昀氀üssen, erlaubt aber die ration eine höhere E昀케zienz und Selektivität, da sie auf enzymatische Aufspaltung von PET. Das interdisziplinäre Immobilisierte und stabilisierte natürliche Enzyme werden mit organischem Siliziumdioxid in kontrollierter Dicke beschichtet. Auf diese Weise sind die Enzyme vor äusseren Ein昀氀üssen geschützt, können aber trotzdem PET abbauen. Die Kolorisierung der Enzyme erfolgte nachträglich aus ästhetischen Gründen (Bild: S.A.Nazemi, FHNW). SNI INSight Dezember 2024 11
Team vergleicht in dem zurzeit laufenden dreidimensionalen Kupfergerüst, auf dem Weitere Projekt die von ihnen entwickelte Methode spezielle, sehr dünne funktionale Schichten Informationen mit aktuell angewendeten Recyclingmetho- aufgebracht werden. Diese nanoskaligen den und prüft die Eignung im industriellen Schichten helfen dabei, das Lithium – das Nano-Argovia- Massstab. nur in der Kathode enthalten ist – gleichmä- Projekt BatCoat https://nanoscience.unibas. ssig und wiederholt auf der Anode abzula- ch/de/forschung/angewandte- Kostengünstige und effiziente gern und wieder zu lösen. Im Gegensatz zu forschung/argovia-projekte- 2024/#c7684 Dünnschichtsolarzellen Lithium-Ionen-Batterien verwenden diese Um dem Klimawandel und seinen Folgen Batterien einen festen Elektrolyten, der die Nano-Argovia- wirksam zu begegnen, sind innovative und Lithium-Ionen leitet. Das kann die Sicherheit Projekt MEGAnano- neue Methoden der Energieumwandlung ge- und Stabilität der Batterien verbessern. Power fragt. Perowskit-Solarzellen (PSCs) gehören Die Forschenden im BatCoat-Projekt https://nanoscience.unibas. ch/de/forschung/angewandte- zu den vielversprechendsten Entwicklungen untersuchen nun, wie sich Lithium gleich- forschung/argovia-projekte- der letzten Jahre. Aufgrund ihres hohen Wir- mässig auf der Kupferober昀氀äche abscheiden 2018/#c1240 kungsgrades und ihrer kostengünstigen Her- lässt, sodass die Batterie mehr als 500 Lade- Forschungsgruppe stellung stossen sie auf enormes Interesse. und Entladezyklen übersteht und dabei Markus Kalberer Perowskite sind Materialien mit ihre hohe Kapazität behält. Gleichzeitig soll https://duw.unibas.ch/de/ einer speziellen Kristallstruktur, die bereits verhindert werden, dass das Lithium mit forschungsgruppen/atmospha- erenwissenschaften/ bei einer Schichtdicke von wenigen hundert dem festen Elektrolyten reagiert. Zusätzlich Nanometern hervorragende optische und untersucht das Team die Vorteile von dreidi- Institut für elektronische Eigenschaften aufweisen. Be- mensionalem Kupfer, um die Leistung und Si- Ecopreneurship merkenswert sind auch Farbsto昀昀solarzellen cherheit der Batterie hochzuhalten. Am Ende FHNW (DSSCs), bei denen die Kombination von des zurzeit geförderten Projekts wollen die https://www.fhnw.ch/de/for- schung-und-dienstleistungen/ Farbsto昀昀molekülen mit Nanopartikeln oder Forschenden ein Konzept für die Produktion lifesciences/ecopreneurship Nanodrähten die Lichtabsorption optimiert. der nanoskaligen Schichten im industriellen Diese Systeme sind nicht nur e昀케zient, son- Massstab entwickeln. dern auch ressourcenschonend und werden daher intensiv erforscht. Die Nanotechno- logie spielt dabei eine entscheidende Rolle, «Das BatCoat-Projekt befasst sich indem sie neuartige Materialien und Struk- mit den Herausforderungen in turen zur Verfügung stellt, um die E昀케zienz und Wirtschaftlichkeit dieser Solarzellen Bezug auf Sicherheit und Energie- weiter zu verbessern. dichte der Lithium-Metall-Festkör- Neue Speichermedien für erneuerbare perbatterien der Generation 4.» Energien Dr. Mario El Kazzi, Sonne, Wind und Wasser als erneuerbare Paul Scherrer Institut PSI Energiequellen sind nicht immer in ausrei- chender Menge verfügbar. Darüber hinaus ist die Elektri昀椀zierung des Verkehrssektors entscheidend, um die Klimaneutralität zu beschleunigen. Geeignete Speicherlösungen Flusszellbatterie als umweltfreundlicher sind daher für den Ausbau der erneuerba- Energiespeicher ren Energien und die Dekarbonisierung der Im Nano-Argovia-Projekt MEGAnanoPower menschlichen Aktivitäten unerlässlich. arbeiteten Forschende an der Weiterent- Im Nano-Argovia-Projekt BatCoat wicklung einer innovativen Flusszellbatterie untersuchen Forschende unter Leitung von (PowerCell®). Ziel des Projekts war es, einen Dr. Mario El Kazzi (Paul Scherrer Institut PSI) umweltfreundlichen und kostengünstigen Lösungen für die nächste Generation von Energiespeicher für Grossanwendungen zu Lithium-Metall-Festkörperbatteriezellen, die entwickeln. Die PowerCell® unterscheidet eine vielversprechende Alternative zu her- sich von herkömmlichen Lithium-Ionen-Bat- kömmlichen Lithium-Ionen-Batteriezellen terien durch den Einsatz fester Elektrolyte, darstellen. die in Form von Nanopartikeln fein verteilt Li-Metall-Festkörperbatteriezellen werden. Durch die Verkleinerung dieser besitzen eine höhere Energiedichte und sind Partikel und dem erhöhten Gehalt an festen sicherer als die heute verwendeten Lithium- Elektrolyten sollte eine grössere Energiedich- Ionen-Batterien. Bei den neu entwickelten te und Speicherkapazität erreicht werden. Lithium-Metall-Festkörperbatterien besteht Zudem untersuchten die Forschenden, wie die negative Elektrode (Anode) aus einem die Elektroden und Membranen weiter opti- 12 SNI INSight Dezember 2024
miert werden können, um die E昀케zienz der elektrochemi- schen Reaktionen zu verbessern. Dabei lag der Fokus auf der Verwendung umweltfreundlicher und nachhaltiger Materialien. Katalyse mit Nanopartikeln Um das Problem des Klimawandels zu lösen, reichen er- neuerbare Energien und bessere Energiespeicher nicht aus. Weltweit gibt es verschiedene Ansätze, um CO und 2 andere Treibhausgase aus der Atmosphäre zu entfernen. Die Gruppe von Prof. Dr. Markus Kalberer (De- partement Umweltwissenschaften, Universität Basel) beispielweise untersucht, ob sich Nanopartikel eignen, um – durch Licht angeregt – als Katalysatoren den Abbau von CO zu fördern. Der Einsatz von Nanopartikeln ist 2 besonders vielversprechend, da sie eine sehr grosse Ober- Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von Titandioxid 昀氀äche im Verhältnis zum Volumen besitzen. Sie weisen (helle grosse Punkte) und Gold-Nanopartikeln (kleine, dunklere Punkte). zudem zahlreiche Ober昀氀ächendefekte auf, die den Wir- (Bild: B. Gfeller, Departement Umweltwissenschaften, Universität Basel) kungsgrad der Umsetzung zusätzlich verbessern. Für diese Untersuchungen stellen die Forschen- den zunächst durch Versprühen Titandioxid-Nanoparti- kel her. In einem Funkengenerator überziehen sie die Nanopartikel anschliessend mit Gold-Nanopartikeln. Durch die Kombination von Titandioxid- und Gold-Nano- partikeln kann das nutzbare Spektrum des Lichts von UV bis zu sichtbarem Licht erweitert werden. Damit können die Forschenden den katalytischen CO -Abbau mit Son- 2 nenlicht starten und verbessern zudem die E昀케zienz. Vor einer Anwendung ist eine genaue Charak- terisierung der Nanopartikel notwendig, um deren Eigenschaften besser zu verstehen. Das Team des Nano Imaging Labs ist bei derartigen Untersuchungen ein wichtiger Ansprechpartner, um die Morphologie und das X-Ray Spektroskopie. In blau die Titandioxid-Nanopartikel und in grün die Verhältnis von Titandioxid- und Gold-Nanopartikeln mit Gold-Nanopartikel (Bild: B. Gfeller, Departement Umweltwissenschaf- hochaufgelösten elektronenmikroskopischen Bildern zu ten, Universität Basel) analysieren. an Nano昀椀ltrationsmembranen zur Wiederverwendung «Nanopartikel könnten einen Beitrag leis- wertvoller Metalle in Solarzellen. Die Rückgewinnung dieser und anderer Rohsto昀昀e ist entscheidend für den ten, um den Klimawandel abzuschwächen, Weg zur geplanten Klimaneutralität, um die Versorgung da die riesige Ober昀氀äche und einzigartige und Nachfrage zu decken. Defekte sie zu hoche昀케zienten Katalysato- Das Team, in dem Meret Amrein arbeitet, konzen- triert sich auf das Recycling von Dünnschicht-Solarzellen ren machen, die CO mithilfe von Sonnen- der neuen Generation, deren Produktion in den kommen- 2 licht in energiereiche organische Verbin- den Jahren stark zunehmen wird. Die Dünnschicht-Solar- dungen wie Methan (Erdgas) umwandeln zellen enthalten oft Metalle wie Silber und Indium. Bei der können.» Wiederaufbereitung werden Metalle üblicherweise durch Hydrometallurgie (Extraktion mit wässrigen Lösungen) getrennt und gereinigt. Der Chemikalienverbrauch bei Benjamin Gfeller, PhD Student Kalberer Group, dieser Aufarbeitung ist oft sehr hoch und mit negativen Departement Umweltwissenschaften, Umweltauswirkungen und Gesundheitsrisiken verbun- Universität Basel den. Hier kann die chemikalienfreie Nano昀椀ltration – ein druckgetriebenes Verfahren zur Behandlung wässriger Lösungen mit Porengrössen unter zwei Nanometern – (Rück)Gewinnung von Rohstoffen eine vielversprechende Alternative oder Ergänzung zur Am Institut für Ecopreneurship an der Hochschule für klassischen Hydrometallurgie bieten. Life Sciences FHNW forscht die ehemalige Nanostuden- Meret Amrein untersucht in ihrer Doktorarbeit tin Meret Amrein unter Leitung von Dr. Markus Lenz massgeschneiderte Nano昀椀ltrationsmembranen, um SNI INSight Dezember 2024 13
Rolle bei Nanodüngemitteln und Nanopesti- Weitere ziden und kann somit zu einer nachhaltige- Informationen ren Landwirtschaft beitragen. NFP 64 Toxizität von Nanopartikeln in der https://www.snf.ch/de/ vbdmYGLawbfYKmOY/ Umwelt seite/fokusForschung/natio- nale-forschungsprogramme/ Beim Thema Nanowissenschaften und Um- nfp64-chancen-risiken-nanoma- welt kommt zwangsläu昀椀g auch die Frage terialien nach Auswirkungen von Nanopartikeln auf die Umwelt auf. Im Netzwerk des SNI laufen zurzeit keine Projekte, die sich mit derarti- gen Fragestellungen befassen. In der Schweiz wurde dazu zwischen 2010 und 2015 das Nationale Forschungsprogramm «Chancen und Risiken von Nanomaterialien» (NFP 64) durchgeführt. Im Rahmen dieses Programms arbeiteten Wissenschaftler:innen daran, Chancen und mögliche Risiken von Produk- Meret Amrein untersucht Nano昀椀ltrationsmembranen, ten auf Basis künstlicher Nanopartikel besser um den Chemikalien- und Energieverbrauch bei der Auf- verstehen zu lernen. arbeitung von Metallen aus Solarzellen zu reduzieren. Weltweit ist die Toxizität von Nano- (Bild: N. Zonvi, Hochschule für Life Sciences FHNW) partikeln für die Umwelt ein wachsendes An- liegen, da diese winzigen Partikel durch ihre hohe Reaktivität emp昀椀ndliche Ökosysteme Metalle aus sauren Abfallströmen zu tren- stören können. Bestimmte Nanomaterialien, nen und zu konzentrieren. Sie stellt dazu wie Silber- oder Titandioxid-Nanopartikel, sogenannte Schicht-für-Schicht-Membranen sind für aquatische Lebewesen nachweis- (Layer-by-Layer, LbL) her, indem sie gelade- lich toxisch. Auch in Böden können Nano- ne Polyelektrolytschichten auf eine poröse partikel Mikroorganismen, P昀氀anzen und Stützstruktur aufbringt. Diese Membranen Tiere schädigen und damit das ökologische haben eine hohe Permeabilität und benöti- Gleichgewicht beeinträchtigen. Da einige gen deutlich geringere Betriebsdrücke als Nanopartikel biologisch schwer abbaubar herkömmliche Nano昀椀ltrationsmembranen – sind, können sie langfristige Umweltschäden könnten also mit einem deutlich niedrigeren verursachen. Zudem besteht die Gefahr, dass Stromverbrauch betrieben werden. Dadurch sie sich über die Nahrungskette in höheren kann insgesamt der Chemikalien- und Ener- Organismen, einschliesslich des Menschen, gieverbrauch für die Aufarbeitung der Metal- anreichern und Probleme verursachen. Die le aus Solarzellen deutlich reduziert werden. Untersuchung all dieser E昀昀ekte ist daher von grosser Bedeutung. Weitere Anwendungen von Nano in den Umweltwissenschaften Grundlagenforschung ebenfalls relevant Weltweit untersuchen Forschende zahlreiche für Umweltwissenschaften weitere nanotechnologische Ansätze in den Es sind nicht nur angewandte nanotech- Umweltwissenschaften. Zum Beispiel spielt nologische Forschungsprojekte, die für die Nanotechnologie eine wichtige Rolle bei der Umweltwissenschaften eine Rolle spielen. Überwachung von Schadsto昀昀en, Luftreinhal- Auch in der Grundlagenforschung erarbeiten tung oder Bodensanierung. So dienen Nano- Forschende Erkenntnisse, die in Zukunft für sensoren dazu, verschiedene Substanzen in unsere Umwelt relevant sein könnten. Luft, Wasser und Boden genau zu überwa- Zum Beispiel untersucht das Team chen. Nanokatalysatoren und Photokatalyse von Prof. Dr. Ernst Meyer (Departement Phy- werden eingesetzt, um Luftschadsto昀昀e wie sik, Universität Basel) die Grundlagen von Stickoxide abzubauen. Bei Bodensanierun- Reibung auf der Nanometerskala. Wenn wir gen unterstützen Eisen-Nanopartikel den mithilfe dieser Forschung Reibung verrin- Abbau organischer Schadsto昀昀e im Boden gern könnten, liesse sich die Energiee昀케zienz und Grundwasser. Zudem lassen sich mit steigern. nanotechnologischen Methoden Mikroor- Von entscheidender Bedeutung ganismen fördern, die Umweltschadsto昀昀e für unsere Zukunft ist auch das detaillierte abbauen. Nanotechnologie spielt auch eine Verständnis der Photosynthese und der Or- 14 SNI INSight Dezember 2024
ganismen, die den Grossteil des produzierten CO2 aus «Es gibt noch zahlreiche andere Beispie- der Atmosphäre entfernen und in organisches Material le für Schnittstellen zwischen Nano- und umwandeln. Das Team von Prof. Dr. Ben Engel (Biozent- Umweltwissenschaft. Wir ho昀昀en, dass wir rum, Universität Basel) leistet beispielsweise mit seinen Untersuchungen zur molekularen Architektur und Evo- mit der vom SNI unterstützten Forschung lution von photosynthetischen Organellen dazu einen in Zukunft dazu beitragen können, dass wichtigen Beitrag. Nanotechnologie für eine bessere Umwelt eingesetzt werden kann.» Prof. Dr. Martino Poggio, SNI-Direktor Nano Image Award Herzlichen Glückwunsch den Gewinnern und danke an alle, die mitgemacht haben! SNI INSight Dezember 2024 15
Gastbeitrag: Gregory Zaugg Masterarbeit am Jet Propulsion Laboratory (CA, USA) Die Zeit, die ich am Jet Propulsion Laboratory (JPL) verbringen durfte, wird mir immer in Erinnerung bleiben. Von der amerikanischen Aufgeschlossenheit und den Räumen, in denen Geschichte geschrieben wurde, bis hin zur unendlichen Bürokratie, war es ein unglaubliches Erlebnis und ich bin dankbar, dass ich es erfahren durfte. Ankunft und erster Tag am JPL: das obligatorische Foto vor dem grossen Surf-Trip mit den Interns: Als Hobby-Surfer musste ich den andern In- JPL–Logo am Eingang, das einen jeden Morgen begrüsst. terns den wahren «California-Vibe» näherbringen. Es gibt kaum etwas Schöneres als nach einer intensiven Woche am JPL mit Surfbrettern auf dem Dach, den Fenstern unten, im «Endless Summer» von LA den Paci昀椀c Coast Highway entlangzufahren und am Sunset Beach entspannt ein paar Wellen zu reiten. Am allermeisten hat mich erstaunt wie sich Leute, die schungsinstitut handelt, welches mit limitierten Mitteln in grossen Missionen wie Mars 2020 (Perseverance & agiert. Anders als was Hollywood und Filme wie «Der Mar- Ingenuity) oder dem Europa-Clipper involviert sind und sianer» vermuten lassen, sind nur die für die Missionen waren, die Zeit nahmen, um einen «einfachen» Intern wie allernötigsten Teile des JPL «High-Tech». Das liess es umso mich zu tre昀昀en und sich zu unterhalten. So hatte ich die beeindruckender erscheinen, was für bahnbrechende Möglichkeit mit Lead Scientists und Head Engineers auf Forschung und Entwicklung dort vollzogen wird. Augenhöhe und beim Ka昀昀ee darüber zu diskutieren, was Ich hatte das Privileg in einer wundervollen denn zum Beispiel die Herausforderungen sind, Raman- Gruppe, dem sogenannten Origins and Habitability Lab, Spektroskopie auf dem Mars durchzuführen. Der Schatz an der Erforschung der Ursprünge des Lebens zu arbeiten. an Wissen und Kontakten, die verschiedene Leute freudig Konkret befasst sich das Lab mit hydrothermalen Schlot- mit mir geteilt haben, ist unbezahlbar. Systemen und der Theorie, dass sich dort die ersten kom- Das JPL selbst hat unter den NASA-Laboratorien plexen Biomoleküle (z.B. RNA, Aminosäuren, und ATP/ einen gewissen Sonderstatus: Es wird extern von Caltech ADP) gebildet haben könnten. Da diese Systeme jedoch für die NASA gemanaged und auch mit昀椀nanziert, was zu am Grund des Meeres liegen und somit nicht besonders einer engen Beziehung mit der nächsten Generation an leicht zu erreichen und erforschen sind, wird viel an der Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen führt. Dies, Entwicklung von Laborsimulationen gearbeitet, was auch denke ich, scheint mit ein Grund zu sein, weshalb Interns der Inhalt meines Projektes war. wie ich, sich wertgeschätzt und involviert fühlen. Die Sogenannte «Chemische Gärten», Strukturen, Interns selbst waren auch eine wahnsinnig freundliche, welche sich selbst aufbauen, wenn sich kontrastierende aktive und diverse Gruppe aus aller Welt, was sowohl Chemikalien auf bestimmte Weise mischen, dienen schon meine Zeit dort wie auch das Kontakte knüpfen, enorm seit einer Weile als vielversprechende Analoga zu Schlot- angenehm gestaltet hat. systemen. In meiner Forschung haben wir untersucht, Trotz aller Glorie war es sehr interessant zu se- wie die Komposition und Konzentration der Ausgangs- hen, dass es sich beim JPL dennoch um ein staatliches For- Chemikalien die Morphologie der Schlote beein昀氀usst. SNI INSight Dezember 2024 16
Mission Control Room: In diesem Stuhl sitzen bei Missionen und wichti- MAGGIE (Mars Automated Giant Gizmo for Integrated Engineering): gen Events normalerweise die allerhöchsten in der Führungskette. Ein perfektes Double des Curiosity Rovers (ohne den Radioisotop- Thermoelektrischen Generator, aus offensichtlichen Gründen). Dieses Gerät wird genutzt, um den richtigen Rover aus kritischen Situationen herauszubekommen. Dazu werden eben jene Situationen im «Mars- yard» nebenan nachgestellt, und, mit Trial-and-Error, Kommandosequen- zen erarbeitet, welche den echten Rover wieder in den Normalzustand bewegen können. «Alles in allem bin ich wahnsinnig dankbar diese Erfahrungen gemacht zu haben und werde immer mit einem Lächeln an meine Zeit am JPL zurückdenken. Und wenn alles gut läuft, kann ich auf dem errungenen Wissen und Netzwerk aufbauen und meinen beru昀氀ichen Werdegang damit bereichern.» Gregory Zaugg, ehemaliger Student der Nanowissenschaften an der Universität Basel Jet Propulsion Laboratory: https://www.jpl.nasa.gov Wie weit reist euer Becher? Beim Annual Event des SNI im September haben alle SNI-Mitglieder einen Becher erhalten, auf dem die vier SNI-Leitlinien Fokussierung, Zusammenarbeit, An- passung und Wirkung gedruckt sind. Nehmt diesen Becher doch mit auf Reisen und schickt uns ein Bild aus dem Urlaub, vom Meeting oder einem Besuch in einer an- deren Forschungsgruppe. Unter allen Einsender:innen verlosen wir im September 2025 drei Reisegutscheine der SBB im Wert von je 100.- CHF! Wir freuen uns auf eure Fotos und sind gespannt, wo- hin euch der SNI-Becher begleitet. Schickt die Fotos (oder auch eine Anfrage für einen SNI- Diese beiden Becher haben es bis zum NanoTec Apéro und auf die Becher – wir haben noch ein paar) bitte an: Dachterrasse des Departement Physik der Universität Basel geschafft? [email protected]. Wohin begleiten euch euer SNI-Becher? SNI INSight Dezember 2024 17
Gastbeitrag: Alexa Dani Masterarbeit in Groningen (NL) Mein Aufenthalt am University Medical Center Groningen (UMCG) in den Nieder- landen war eine unglaublich tolle Erfahrung – sowohl fachlich als auch für mich persönlich. Ich bin in der Forschungsgruppe von Professor Hélder Almeida Santos, Abteilung für Biomaterialien & Biomedizinische Technologie (BBT) sehr gut aufge- nommen worden und habe dort die Synthese und das Potenzial von «metal-organic framework» Nanopartikeln für biomedizinische Anwendungen näher untersucht. Dabei habe ich wertvolle chemische, materialwissenschaftliche und biologische Methoden erlernt und konnte mit meinen Betreuerinnen gemeinsam ein spannendes und noch unentdecktes Gebiet erforschen. Das Ziel meiner Masterarbeit war die Synthese von ver- schiedensten Nanopartikeln, die ein metallorganisches Gerüst besitzen (MOF NP). Diese Nanopartikel, welche aufgrund ihrer Porosität und starken Modi昀椀zierbarkeit in den letzten Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen ha- ben, sollten dann an Makrophagen getestet werden. Diese wichtigen Immunzellen können je nach äusserem Stimu- lus in einen pro- oder anti-in昀氀ammatorischen Zustand wechseln. Die Beein昀氀ussung dieser sogenannten Polari- sation von aussen könnte eine innovative Therapieform bei einer gestörten Immunfunktion darstellen. Somit war das Hauptziel meiner Masterarbeit, den E昀昀ekt der MOF NP mit unterschiedlicher Zusammensetzung, Kristallini- tät und Form auf die Polarisation von Makrophagen zu testen. Ein weiteres Ziel war, diese MOF NP in au昀氀ösbare Mikronadel-P昀氀aster aus Polymeren (dMN) zu integrieren, welche als schmerzlose transdermale Darreichungsform von Arzneimitteln entwickelt werden. Dieses Projekt hat meine De昀椀nition von «medi- zinischen Nanowissenschaften» voll getro昀昀en, da es As- pekte aus der Chemie, den Materialwissenschaften und der Biologie für eine biomedizinische Anwendung kom- Schier unendliche Tulpenfelder nahe des Dollards. biniert hat und somit interdisziplinäres Denken gefordert war. Für mich war es ausserdem sehr besonders, an einem P昀氀aster, bei der ich mein Verständnis über Biomateria- bisher sehr unerforschten Projekt mitzuwirken, welches lien vertiefen konnte. Vor allem lernte ich viel über die auch für meine Betreuerinnen neu war. Dadurch konnte strengen Anforderungen, die sie für biomedizinische ich dieses wesentlich mitbeein昀氀ussen. Anwendungen erfüllen müssen. Schliesslich habe ich mit In der ersten Phase meiner Masterarbeit habe ich Zellkulturen, insbesondere Makrophagen, gearbeitet, um mich auf die Synthese und Charakterisierung der MOF die Sicherheit und Wirksamkeit meines Systems mit ei- NPs konzentriert. In Zusammenarbeit mit Expert:innen ner Reihe von Analysetechniken zu testen. wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen erstellt Insgesamt ist es uns gelungen, MOF-Nanopartikel und die Kristallstruktur der Nanopartikel bewertet. Au- mit den von uns angestrebten physikalisch-chemischen sserdem habe ich die Grösse und die Ober昀氀ächeneigen- Eigenschaften für potenzielle biomedizinische Anwen- schaften der MOF NPs mit Hilfe von dispersionsbasierten dungen zu synthetisieren. Darüber hinaus haben wir ge- Partikelcharakterisierungsmethoden bewertet. Die zwei- zeigt, dass diese Nanopartikel in die P昀氀aster eingearbeitet te Phase umfasste die Herstellung der transdermalen werden können. SNI INSight Dezember 2024 18
Weitere Informationen Biomaterials & Bio- medical Technology (BBT)at University Center Groningen https://umcgresearch.org/w/ biomaterials-and-biomedical- technology Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von Mikroskopische Aufnahme von einem polymeren Mikro- Nanopartikeln mit einem metall-organischen Gerüst. nadelp昀氀aster. Dieses P昀氀aster hat eine Grösse von etwa 1x1 cm mit 100 Nadeln. Während meiner Zeit an der UMCG habe ich Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie neue mich in der Forschungsgruppe von Prof. San- Technologien in der regenerativen Medizin. tos und am BBT sehr willkommen gefühlt. Be- Ein Höhepunkt war die Teilnahme an einem sonders geschätzt habe ich die Kollaboration Vortrag von Professor Elisabeth Bik über der Forschungsgruppe innerhalb und ausser- die Integrität der Forschung und die damit halb des Departements, die ho昀昀entlich auch verbundenen Herausforderungen bei wis- zu künftigen Partnerschaften zwischen dem senschaftlichen Verö昀昀entlichungen. Swiss Nanoscience Institute und der UMCG Groningen ist eine wahre Studen- führen wird. Die wöchentlichen Tre昀昀en des tenstadt, die oftmals um 23 Uhr erst richtig BBT ermöglichten es mir, mein Wissen in erwacht – dementsprechend gab es vieles verschiedenen Bereichen zu erweitern, wie mit Kolleg:innen zu entdecken. Kulinarisch zum Beispiel nanomedizinische Formulie- sind mir vor allem die süssen Stroopwa昀昀eln rungen für die Behandlung von Krebs und in Erinnerung geblieben. Schier unendliche Tulpenfelder nahe des Dollards. Tagesaus昀氀ug mit Professor Santos’ Forschungsgruppe mit Golf und anschliessendem Grillieren. «Ich bin dem Swiss Nanoscience Institute und Prof. Santos sehr dankbar für diese grossartige Möglichkeit. Ich gewann an Wissen und praktischer Erfahrung, entdeckte neue beru昀氀iche und persönliche Wege und genoss meine Zeit in Groningen, sowohl im Labor als auch darüber hinaus.» Alexa Dani, ehemalige Studentin der Nanowissenschaften an der Universität Basel SNI INSight Dezember 2024 19
Fördermittel für SNI-Mitglieder Weitere Informationen In den letzten Monaten haben zahlreiche SNI-Mitglieder Zuspra- Swiss National chen für Forschungsprojekte aus ganz unterschiedlichen Quellen Science Foundation (SNF) bekommen. Wir beschreiben die verschiedenen Forschungspro- https://www.snf.ch/de jekte hier kurz, um damit einen Einblick in die Vielfalt der bear- Projektbeschreibung Marek Basler beiteten wissenschaftlichen Fragestellungen innerhalb unseres https://data.snf.ch/grants/ grant/10000935 Netzwerks zu geben. Vielleicht inspiriert ja das ein oder andere Forschungsgruppe Thema zu einer Zusammenarbeit? Marek Basler https://www.biozentrum.uni- bas.ch/about/administration/ administration-a-z/overview/ unit/research-group-marek- Analyse des komplexen Abbildung des menschlichen Gehirns basler Sekretionssystems Im Rahmen eines vom Schweizer Natio- Projektbeschreibung Prof. Dr. Marek Basler (Biozentrum, Uni- nalfonds (SNF) für vier Jahre geförderten Bert Müller https://data.snf.ch/grants/ versität Basel) untersucht mit seinem Team Projekts plant das Team von Prof. Dr. Bert grant/10000247%20 den Aufbau des Sekretionssystem T6SS, das Müller (Departement für Biomedical Engi- Forschungsgruppe beispielsweise die Bakterienarten Pseudo- neering, Universität Basel) alle Zellen des Bert Müller monas aeruginosa und Acinetobacter baylyi menschlichen Gehirns abzubilden, ohne es https://dbe.unibas.ch/en/ besitzen. Mithilfe des komplexen Mechanis- zu zerschneiden. Das ist den Forschenden research/biomechanics-and- biomaterials/biomaterials- mus von T6SS sind die Bakterien in der Lage, für das Gehirn der Maus bereits gelungen. science-center/ Toxine in andere Bakterien zu injizieren und Das Gehirn des Menschen ist jedoch 3000- Interview mit sich so gegenüber konkurrierenden Zellen mal grösser und Datenmengen im Petabyte- Bert Müller und Wirten durchzusetzen. Bereich (1 Petabyte entspricht 1000 Terabyte) https://spie.org/news/ heady-matters-on-the-cusp-of- Im September 2024 startete das müssen aufgenommen und verarbeitet x-ray-tomographic-mapping- Basler-Team nun ein vom Schweizer Natio- werden. Die Forschenden werden sich ab of-the-human-brain-and-its- 1011-cells#_=_ nalfond für vier Jahre gefördertes Projekt, in Februar 2025 dieser Herausforderung stel- dem die einzelnen Schritte des T6SS-Aufbaus len. Es gilt auch herauszu昀椀nden, wie diese und die Veränderung der Protein-Protein- riesigen Datenmengen der Wissenschafts- Wechselwirkung analysiert werden. Die gemeinschaft zugänglich gemacht werden Forschenden planen anhand ihrer Unter- können, um schliesslich die Anatomie und suchungen ein präzises Modell des Sekreti- die Funktionen des gesunden und kranken onssystems und seiner Zwischenstufen zu Gehirns detailliert zu verstehen. generieren. Dies wird dazu beitragen, mehr über das Verhalten und die Interaktion menschlicher Krankheitserreger während der Infektion zu erhalten. Das Team von Marek Basler untersucht den komplexen Mechanismus des Sekretionssystems T6SS, mit dem Bakterien in der Lage sind, Toxine in andere Bakterien zu Forschende um Bert Müller haben bereits die Zellen des injizieren und sich so gegenüber konkurrierenden Zellen Mausgehirns abgebildet ohne Schnitte vorzunehmen. und Wirten durchzusetzen. (Video: Biozentrum, Univer- Nun planen sie die 86 Milliarden Zellen des menschlichen sität Basel) Gehirns darzustellen. (Bild: Departement für Biomedical Engineering, Universität Basel) 20 SNI INSight Dezember 2024
Weitere Besseres Verständnis der Photosynthese Regulierung des Zellstoffwechsels Informationen Das Team von Prof. Dr. Ben Engel (Biozent- Im Rahmen eines SNF-Projekts in Zusammen- rum, Universität Basel) untersucht Thylako- arbeit mit Forschenden der Universität Kiew Swiss National idmembranen, die bei der Photosynthese (Ukraine) untersucht Prof. Dr. Timm Maier Science Foundation eine wichtige Rolle spielen. (Biozentrum, Universität Basel) eine spezielle (SNF) In den Chloroplasten von P昀氀anzen Gruppe von Proteinen (Rag-Proteine), die eine https://www.snf.ch/de und Algen sind in diese komplexen Thylako- elementare Rolle bei der Regulierung des Projektbeschreibung idnetzwerke jene Proteinkomplexe eingebet- Zellsto昀昀wechsels spielen. Die Hauptfunktion Ben Engel tet, welche die lichtabhängigen Reaktionen der Rag-Proteine ist die Kontrolle des mTOR- https://data.snf.ch/grants/ grant/10001398 der Photosynthese steuern. In einem vom Komplexes. Rag-Proteine helfen mTOR dabei, Forschungsgruppe SNF unterstützten Projekt in Zusammenar- festzustellen, ob genügend Nährsto昀昀e wie Ben Engel beit mit der University of California wollen Aminosäuren in der Zelle vorhanden sind, https://www.biozentrum.uni- die Forschenden ein mechanistisches Mo- um Wachstumsprozesse anzustossen. bas.ch/about/administration/ administration-a-z/overview/ dell entwickeln. Dies wird zeigen, wie die In dem für drei Jahre genehmigten unit/research-group-ben-engel Thylakoidmembranen zusammengesetzt Projekt stehen vor allem niedermolekulare Projektbeschreibung werden und ihre komplizierte Architektur Verbindungen im Fokus, die an Rag-Proteine Timm Maier bilden, die es den photosynthetischen Pro- binden. Sie können in der Grundlagenfor- https://data.snf.ch/grants/ grant/224771 teinen ermöglicht, Sonnenlicht in Leben schung als wichtige Werkzeuge für die Forschungsgruppe umzuwandeln. Die Forschenden nutzen Untersuchung und Analyse der vielfältigen Timm Maier dazu ein zelluläres System, in dem die Pho- Rollen von Rag-Proteinen dienen. Zudem https://www.biozentrum. tosynthese ein- und ausgeschaltet werden sind derartige Verbindungen mit selektiver unibas.ch/about/administ- kann und kombinieren dieses mit der Kryo- funktioneller Wirkung auf Rag-Proteine ein ration/administration-a-z/ overview/unit/research-group- Elektronentomographie. Sie können so die wichtiger Ausgangspunkt für die Entwick- timm-maier Thylakoidmembran-Entstehung in moleku- lung neuer Arzneimittelkandidaten und po- Projektbeschreibung larer Au昀氀ösung verfolgen. tenzieller Therapien – insbesondere für die Markus Kalberer Behandlung von Krebs. https://data.snf.ch/grants/ grant/10001153 Forschungsgruppe Toxizität von Feinstaub und Markus Kalberer Treibstoffemissionen https://duw.unibas.ch/de/ Die Gruppe von Prof. Dr. Markus Kalbe- forschungsgruppen/atmospha- rer (Departement Umweltwissenschaften, erenwissenschaften/ Universität Basel) beschäftigt sich mit der Toxizität von Feinstaub, im Speziellen mit dem oxidativen Potenzial, welches eine gute Annäherung für die Toxizität von Aerosolen ist. In einem neuen SNF-Projekt wollen die Forschenden das molekulare Verständnis dieser Prozesse besser verstehen lernen und ein neues Gerät entwickeln, das nicht nur die Toxizität von Partikeln, sondern auch die der Gasphase messen kann. Desweitern wird das Kalberer-Team Aerosole (Bremsabrieb und Wüstenstaub) messen, um deren Toxizität zu bestimmen. In einem weiteren Horizon Europe Projekt plant Markus Kalberer das oxidative Potenzial der Emissionen von neu- artigen Treibsto昀昀en zu ermitteln, bei deren Verbrennung kein oder nur sehr wenig CO 2 entsteht (low- or zero-carbon fuels), um ein besseres Verständnis von der Toxizität dieser Treibsto昀昀e zu bekommen. Evolution von künstlichen Enzymen Die Gruppe von Prof. Dr. Thomas Ward (De- SNI-Doktorand Philippe Van der Stappen und Ben Engel partement Chemie, Universität Basel) hat in nutzen Kryo-Elektronentomographie, um die Protein- Zusammenarbeit mit der University of Cali- komplexe zu untersuchen, die an der CO -Fixierung in 2 fornia in Irvine ein Projekt zur Optimierung Algenzellen beteiligt sind. von künstlichen Katalysatoren begonnen. SNI INSight Dezember 2024 21
Die Forschenden stützen sich dabei auf die den Kohlensto昀昀atomen der Dreifachbindung Weitere Hypothese, dass sich natürliche Enzyme in noch je eine sperrige Gruppe bindet. Diese Informationen heutigen Lebewesen im Laufe eines langen grossen Gruppen liegen trotz mangelndem evolutionären Prozesses optimiert haben – Platz nah beieinander – was zu einer einge- Swiss National dies vor allem durch die Bildung von kom- schränkten Rotation innerhalb des Moleküls Science Foundation https://www.snf.ch/de plexen Aminosäure-Netzwerken. führt. Dadurch entstehen unter bestimmten Die Teams aus Basel und Irvine ha- Bedingungen verschiedene Isomere, die Projektbeschreibung ben daher ein System (OrthoRep) entwickelt, nicht ineinander übergehen. Diese Phäno- Tom Ward https://data.snf.ch/grants/ mit dem die Evolution von Jahrtausenden im mene wird das Team um Christof Sparr im grant/10000664 Labor in wenigen Wochen nachgeahmt wer- Rahmen des Projektes untersuchen. den kann. Die Forschenden werden nun den Forschungsgruppe E昀昀ekt von tausenden Mutationen auf zwei Wechselwirkungen an Oberflächen Tom Ward https://ward.chemie.unibas.ch/ künstliche Metalloenzyme (ArM) untersu- von 2D-Materialien Projektbeschreibung chen, deren genetische Information in Hefe- Das Team von Prof. Dr. Ernst Meyer (Depar- Christof Sparr zellen integriert wurde. Die Metalloenzyme tement Physik, Universität Basel) setzt seine https://data.snf.ch/grants/ ahmen primitive Enzyme nach, bei denen Expertise in der Rastersondenmikroskopie grant/10001653 die katalysierte Reaktion von einem an ein ein, um lokale Wechselwirkungen an zwei- Forschungsgruppe Protein gebundenen Cofaktor abhängt. Die dimensionalen Materialien zu untersuchen. Christof Sparr Wissenschaftler:innen analysieren in dem In dem vier Jahre andauernden Projekt des https://sparr.chemie.unibas. ch/en/ vom SNF für vier Jahre geförderten Projekt, Schweizerischen Nationalfond bilden die ob sich durch die Evolution im Aminosäure- Forschenden die verschiedenen zweidi- Projektbeschreibung Netzwerk die Eigenschaften des Metalloen- mensionalen Materialien nicht nur ab und Ernst Meyer https://data.snf.ch/grants/ zyms optimieren lassen. untersuchen sie spektroskopisch, sondern grant/10001697 nehmen mithilfe der Rastersondenmikros- Forschungsgruppe kope auch chemische Veränderungen der Ernst Meyer Ober昀氀äche vor. Sie analysieren auch ganz https://nanolino.physik.unibas. ch/en/ neue Kombinationen verschiedener Materi- alien, die interessante quantenmechanische Eigenschaften besitzen. Des Weiteren steht die Untersuchung von Reibung und Kontakt- kräften von 2D-Materialien bei dem Projekt im Fokus. Der SNI-Doktorand Damian Graf arbeitet im Team von Tom Ward, das in dem neuen SNF-Projekt künstliche Katalysatoren optimieren wird. Dreifachbindungen mit gehinderter Rotation Die Gruppe von Prof. Dr. Christof Sparr (Departement Chemie, Universität Basel) Mit Rastersondenmikroskopen untersucht das Team von beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Ernst Meyer lokale Wechselwirkungen an zweidimensi- synthetischer Methoden und der Synthese onale Materialien. einzigartiger Molekülstrukturen. In einem Nationalfond-Projekt untersuchen die For- Optimierte Fabrikation und Leistungs- schenden in den nächsten vier Jahren soge- fähigkeit von Quantensensoren nannte Alkin-Atropisomere. Dabei handelt Im Rahmen der «Swiss Quantum Initiative» es sich um Kohlensto昀昀verbindungen mit des Bundes startet im Januar 2025 ein auf vier Dreifachbindungen (Alkine), bei denen an Jahre angelegtes neues Projekt im Team von 22 SNI INSight Dezember 2024
Weitere Professor Dr. Patrick Maletinsky (Departe- Nutzung von Quanteneffekten für die Informationen ment Physik, Universität Basel). Die Forschen- Metrologie den werden dabei die Nanofabrikation bereits Die Gruppe von Prof. Dr. Martino Poggio Swiss Quantum Call bestehender Quantensensoren basierend auf beteiligt sich an dem europäischen For- 2024 Diamanten mit Sticksto昀昀-Vakanzzentren op- schungsprojekt QuAHMET, das im Rah- https://www.snf.ch/media/de/ p5ohquN28RM7xgVr/swiss- timieren, um sie einem breiteren Nutzerkreis men der European Metrology Partnership quantum-call-2024-granted- in Forschung und Industrie zugänglich zu entwickelt wurde. Ziel des Projekts ist die projects.pdf machen. Zudem will das Team die Leistungs- Erforschung und Entwicklung von Materi- Forschungsgruppe fähigkeit der Quantensensoren in Bezug auf alien und Geräten, die den quantisierten Patrick Maletinsky räumliche Au昀氀ösung, Emp昀椀ndlichkeit und anomalen Hall-E昀昀ekt (QAHE) nutzen, um https://quantum-sensing.phy- Funktionalität weiter verbessern. einen Primärstandard für den elektrischen sik.unibas.ch/ Widerstand zu realisieren. Im Vergleich zu Forschungsgruppe Kontrolle über Quantenprozesse dank derzeitig angewendeten Methoden, die auf Philipp Treutlein kohärenter Rückkopplung dem Quanten-Hall-E昀昀ekt beruhen, bietet https://atom.physik.unibas.ch/ Auch das Team von Professor Dr. Philipp der QAHE den Vorteil, dass er unter weni- QuAHMET Treutlein (Departement Physik, Universität ger extremen Bedingungen wie geringeren https://sites.google.com/inrim. Basel) hat beim «Swiss Quantum Call 2024» Magnetfeldern oder höheren Temperaturen it/quahmet/home?authuser=0 der «Swiss Quantum Initiative» den Zuspruch funktioniert. Dies könnte die Nutzung von Forschungsgruppe für ein im September gestartetes Projekt er- Quantene昀昀ekten für elektrische Messungen Martino Pogio halten, das vier Jahre lang gefördert wird. und die De昀椀nition von SI-Einheiten leichter https://poggiolab.unibas.ch zugänglich machen. Das Ziel des Projekts ist es, Quanten- prozesse mithilfe einer kohärenten Rück- Das Poggio-Lab wird dabei seine Ex- kopplungsschleife zu kontrollieren. Bei der pertise in der Tieftemperatur-Rastersonden- kohärenten Rückkopplung werden Quan- mikroskopie einbringen, um Projektpartner tensignale verarbeitet und zurückgeführt, bei der Entwicklung und Herstellung der für ohne dass eine Messung statt昀椀ndet. Das ist den QAHE erforderlichen magnetisch dotier- von Vorteil, da in Quantensystemen jede ten topologischen Isolatoren zu unterstützen Messung ein Störfaktor ist, der den Quan- und die elektronischen, magnetischen und tenzustand verändert. Durch die Umgehung strukturellen Eigenschaften dieser Materi- der Messung erho昀昀en die Forschenden neue alien zu untersuchen. In weiteren Modulen Anwendungen in der Quantentechnologie zu arbeiten verschiedene internationale Pro- erschliessen. jektpartner daran, präzise Messmethoden für QAHE-basierte Geräte zu entwickeln und die Anwendung dieser Technologien in Bereichen wie Spintronik und topologisches Quantencomputing zu fördern. Floris Braakman aus dem Team von Martino Poggio bringt im Projekt QuAHMET seine Erfahrung im Bereich der Tieftemperatur-Rastersondenmikroskopie ein. SNI INSight Dezember 2024 23
SNI-Startup-Workshop: Weitere Informationen «From Lab to Startup» SNI-Doktoranden- schule https://nanoscience.unibas.ch/ Doktorierende der SNI-Doktorandenschule arbeiten meist an de/forschung/phd-programm/ grundlagenwissenschaftlichen Fragestellungen. Jedoch ist manch- Innovation Office Universität Basel mal eine innovative Anwendung gar nicht so weit davon entfernt. https://www.unibas.ch/en/ Innovation/ Mitte Oktober erhielten sieben SNI-Doktorierende unter Anlei- tung von Expert:innen einen umfassenden Einblick in die Welt der Startup-Gründung. So wurde für die jungen Forschenden die Gründung eines Unternehmens greifbar. Sie lernten die ersten wichtigen Schritte auf dem Weg zum eigenen Startup kennen und entwickelten mit viel Enthusiasmus und Energie ihre eigene Geschäftsidee. Der einem neuen Konzept folgende Workshop «From Lab to Startup» – der von nun an jedes Jahr als Teil der SNI- Doktorandenschule statt昀椀nden wird – wurde damit zu einem vollen Erfolg. Die Gründung eines Startups steht für die Intensive Tage mit exzellentem Ergebnis meisten Doktorierenden in den Nanowissen- Zusammen mit Mauricio Campos, Inhaber schaften nicht unbedingt ganz oben auf der eines Beratungsunternehmens, leitete Anna- Liste ihrer Möglichkeiten nach der Promo- Elina Pekonen vom 16.–17. Oktober die erste tion. Um eine Unternehmensgründung als Ausgabe dieses Angebots, an dem sieben Dok- Option aufzuzeigen und den Nachwuchsfor- torierende der SNI-Doktorandenschule und schenden einen Einstieg in das notwendige Andreas Baumgartner teilnahmen. An zwei Wissen und Handwerkszeug zu vermitteln, Vormittagen lernten die Teilnehmenden viel hat der Koordinator der SNI-Doktoranden- über die Denkweise und Fähigkeiten, die schule, Dr. Andreas Baumgartner, zusammen erforderlich sind, um aus Forschungsergeb- mit Anna-Elina Pekonen vom Innovation Of- nissen ein erfolgreiches Startup zu machen. 昀椀ce der Universität Basel ein neues Konzept «Wichtig ist, dass dazu zwar eine gewisse Ri- für den Workshop «From Lab to Startup» für sikobereitschaft gehört, dass aber umgekehrt SNI-Doktorierende entworfen. Misserfolge keine Schande sind und nicht das Mit viel Enthusiasmus und Elan nahmen sieben SNI-Doktorierende an dem in Zusammenarbeit mit dem Innovation Of昀椀ce der Universität Basel neu entwickelten Kurs «From Lab to Startup» teil. (Foto: A. Baumgartner) 24 SNI INSight Dezember 2024
«Es war grossartig zu sehen, wie die Teil- «Während der zwei Tage verlor ich mehr nehmenden ihre Projekte in dem sehr kur- und mehr das Gefühl dafür, welche Projek- zen Zeitraum von nur 1,5 Tagen entwickelt te tatsächlich realisiert werden sollen, und haben und zu einem beeindruckenden welche von unseren Doktorierenden erfun- Ergebnis führten.» den wurden.» Anna-Elina Pekonen, Innovation Office, Dr. Andreas Baumgartner, Koordinator des SNI- Universität Basel Doktorandenschule Ende der Karriere bedeuten – vielleicht sogar das Gegen- Mauricio Campos führten dann am Ende des zweitägi- teil», erläutert Anna-Elina Pekonen. Dazu erzählten die gen Kurses zu beeindruckenden Ergebnissen von allen zwei erfolgreichen Firmengründer Adrian Bertschi und Teilnehmer:innen. Beim abschliessenden Pitch-Wett- Gilbert Koch live vom Auf und Ab bei ihren Unternehmen bewerb überzeugte vor allem Elizaveta Maksimova aus – was einen sehr konkreten und lebhaften Einblick ins dem Team von Prof. Dr. Jonathan de Roo (Departement Thema gab. Im Zentrum des Workshops stand dann an Chemie, Universität Basel). Durch eine klare Präsentati- den beiden Nachmittagen die Entwicklung einer eigenen on und mit kompetentem Auftreten überzeugt sie die Geschäftsidee von allen Teilnehmenden und die Vorberei- Jury mit Pekonen, Campos und Baumgartner von ihrer tung eines abschliessenden Pitchs, mit dem potenzielle Startup-Idee und gewann den Preis für den besten Pitch. Investor:innen überzeugt werden können. Mit diesem neuen Kurs verspricht sich das SNI Alle Teilnehmenden hatten als Vorbereitung be- vor allem, dass sich die angehenden Forschenden auch reits eine Geschäftsidee entwickelt und dazu eine erste über alternative Karrierewege Gedanken machen. Ein Version einer solchen Präsentation vorbereitet – in den Ziel ist auch, dass die Doktorierenden ihre wissenschaft- meisten Fällen in Anlehnung an die eigene Forschung lichen Ergebnisse vermehrt auch auf Anwendbarkeit in ganz unterschiedlichen Disziplinen. Die im Work- prüfen und erkennen lernen, wie diese dazu beitragen shop vermittelten Inhalte und Leitstrukturen sowie die können, Herausforderungen der Zukunft zu bewältigen. individuelle Betreuung durch Anna-Elina Pekonen und Elizaveta Maksimova (Mitte) überzeugt die Jury (Anna-Elina Pekonen, Mauricio Campos und Andreas Baumgartner (nicht auf dem Bild)) mit dem Pitch für ihre Geschäftsidee. (Bild: A. Baumgartner) «Ich habe die akademischen Ideen meines Dissertationsprojekts weiter entwickelt und fühlte mich sehr wohl dabei, den nächsten Schritt zu einem Startup-Unter- nehmen anzudenken. Der SNI-Rhetorik- Workshop, den ich im Jahr zuvor besucht Es waren zwei intensive Tage, an denen Doktorierende der SNI-Dok- habe, hat mir sehr geholfen, auch überzeu- torandenschule einen umfassenden Einblick in die Welt der Startup- gend zu präsentieren.» Gründung bekamen. (Bilder: A. Baumgartner) Elizaveta Maksimova, SNI-Doktorandin am Departement Chemie der Universität Basel und Gewinnerin des Pitching-Wettbewerbs SNI INSight Dezember 2024 25
Auszeichnungen Ruzicka-Preis für Murielle Delley Prof. Dr. Murielle Delley (Departement Chemie, Universität Basel) wird mit dem Ruzicka-Preis ausgezeichnet. Der nach dem ETH-Professor und Nobelpreisträger Leopold Ruzicka benann- te Preis wird von dsm-昀椀rmenich gestiftet und ist eine der wichtigsten Auszeichnungen zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses im Bereich der Chemie in der Schweiz. Die Preisverleihung 昀椀ndet am 14. Februar 2025 im HCl-Gebäude (Hönggerberg) statt. Weitere Information: https://chab.ethz.ch/en/outreach/public-relations/ruzicka-prize.html Christoph Gerber wird «Clarivate Citation Laureate» Jedes Jahr im September verö昀昀entlicht der Medienkonzern Clarivate (UK) eine Liste von Wissenschaftler:innen, denen aufgrund häu昀椀ger Zitierungen in hochrangigen Wissen- schaftsjournalen Chancen auf den Nobelpreis eingeräumt werden. Prof. Dr. Christoph Gerber (Departement Physik und SNI, Universität Basel) wurde dieses Jahr für die Er昀椀ndung des Ras- terkraftmikroskops in der Sparte Physik in die Liste aufgenommen und damit zum «Clarivate Citation Laureate» gekürt. Webseite Clarivate Citation Laureates https://clarivate.com/citation-laureates/winners/ Neuigkeiten aus dem SNI-Netzwerk Forschende aus dem SNI-Netzwerk haben untersucht, wie nanostrukturierte Titanober昀氀ächen (Ti2-Spikes) Zahnim- plante verbessern können. Das interdisziplinäre Team untersuchte dabei die Lebensfähigkeit von Osteoblasten und Fibroblasten und kontrollierte, wie verschiedene Bakterienstämme die modi昀椀zierten Ober昀氀ächen besie- deln. Ihre Ergebnisse erschienen im Dezember 2024 in der Druckausgabe vom Journal of Biomedical Materials Research. SNI-Meldung: https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/nanostrukturen-fuer-bessere-implantate/ Video: Im Nano-Argovia-Projekt TiSpikes haben Forschende untersucht, wie nano- https://youtu.be/9yRkvlNvL2w strukturierte Titanober昀氀ächen die Eigenschaften von Zahnimplantaten Originalpublikation: verbessern. (Bild: Departement Physik, Universität Basel) https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jbm.a.37768 26 SNI INSight Dezember 2024
Synthetische Zellen ahmen natürliche Zellkommuni- kation nach Einem Forschungsteam der Universität Basel ist es ge- lungen, einfache, umweltsensitive Zellen mitsamt Zell- organellen synthetisch zu erzeugen. Erstmals konnten sie mit diesen Protozellen auch die natürliche Kommu- nikation zwischen Zellen nachahmen – nach dem Vor- bild von Lichtsinneszellen im Auge. Sie erö昀昀nen damit neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung und Anwendungen in der Medizin. Forschende haben zwei Arten synthetischer Protozellen erzeugt, die miteinander kommunizieren können. (Illustration: Olivia Fischer, University of Basel) Meldung Universität Basel: https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/synthetische-zellen-ahmen-natuerliche- zellkommunikation-nach/ Originalpublikation: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413981 Umkehrung des Magnetismus durch Dehnung Bänder des zweidimensionalen Halbleiters Chromsul昀椀d- bromid (CrSBr) verändern ihre Magnetisierung, wenn sie gedehnt werden. Forschende aus dem SNI-Netzwerk ha- ben in dem Wissenschaftsjournal «Nano Letters» kürzlich verö昀昀entlicht, wie sie dünne Chromsul昀椀dbromid-Bänder aus wenigen atomaren Lagen gezielt dehnen und dabei mithilfe einer Cantileversonde mit integriertem supra- leitenden Quanteninterferenzgerät (SQUID) beobachten. Dabei konnten die Forschenden belegen, dass das ge- schichtete, zweidimensioanale CrSBr aufgrund der Deh- nung seine antiferromagnetischen Eigenschaften verliert und zu einem Ferromagneten wird. Diese Veränderung der Magnetisierung und die Bildung von Domänen repro- Abhängigkeit der Magnetfelder bei zunehmender Dehnung des Chrom- duzierten die Forschenden durch ein mikromagnetisches sul昀椀dbromid-Bandes (Departement Physik, Universität Basel) Modell. SNI-Meldung: https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/umkehrung-des-magnetismus-durch- dehnung/ Originalpublikation: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03919 Kontrolle von Skyrmionen möglich Mithilfe der Raster-SQUID-Mikroskopie bei sehr niedrigen Temperaturen haben Forschende aus dem SNI-Netzwerk die mikroskopische Struktur der magnetischen Phasen und ihrer Übergängen auf der Ober昀氀äche des Isolators CuOSeO dargestellt. Dabei beobachteten die Forschen- 2 3 den, dass unter bestimmten Bedingungen die Ober昀氀äche von Clustern ungeordneter magnetischer Wirbelstruk- turen (Skyrmionen) bevölkert ist, wobei sich einzelne Skyrmione lokal kontrollieren liessen. SNI-Meldung: Mithilfe der Raster-SQUID-Mikroskopie bei sehr niedrigen Temperaturen https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/kontrolle-von-skyrmionen-moeglich/ haben Forschende die mikroskopische Struktur der magnetischen Pha- sen und ihrer Übergängen auf der Ober昀氀äche des Isolators Cu2OSeO3 Originalpublikation: dargestellt. (Bild: Departement Physik, Universität Basel) https://www.nature.com/articles/s43246-024-00647-5 SNI INSight Dezember 2024 27
Neue Methode zur Bestimmung der Austausch- energie bei 2D-Materialien Forschende der Universität Basel haben untersucht, wie die ferromagnetischen Eigenschaften von Elektronen im zweidimensionalen Halbleiter Molybdändisul昀椀d besser verstanden werden können. Sie zeigen, dass die Energie, die benötigt wird, um einen parallel ausgerichteten Elek- tronenspin umzudrehen, auf überraschend einfache Art gemessen werden kann. SNI-Meldung: https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/neue-methode-zur-bestimmung-der- austauschenergie-bei-2d-materialien/ Das zweidimensionale Halbleitermaterial Molybdändisul昀椀d wird mit Elektronen (rote Kugeln) gefüllt. Die Elektron-Elektron-Wechselwirkung Originalpublikation: führt dazu, dass sich die Spins aller Elektronen (rote Pfeile) in dieselbe https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.026501 Richtung ausrichten. Die Austauschenergie, die benötigt wird, damit ein einziger Elektronenspin in dem ferromagnetischen Zustand seine Richtung ändert, lässt sich über den Abstand zweier bestimmter Spekt- rallinien ermitteln. (Bild: N. Leisgang/Scixel). Starke Kopplung zwischen Andreev-Qubits über einen Mikrowellenresonator Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, zwei Andreev-Qubits über eine makroskopische Distanz kohärent miteinander zu koppeln. Sie erreichten dies mithilfe von Mikrowellen-Photonen, die in einem schma- len supraleitenden Resonator generiert werden. Die Forschenden haben die Ergebnisse der Experimente und begleitende Berechnungen kürzlich in «Nature Physics» verö昀昀entlicht und damit eine Basis für die Nutzung von Andreev-Qubit-Koppler: Der lange Mikrowellenresonator (a) koppelt zwei gekoppelten Andreev-Qubits in der Quantenkommunika- Andreev-Qubits (links (b), rechts (c)). Der Anschluss im mittleren Teil von tion und im Quantencomputing gelegt. Bild (a) ist der Ausleseanschluss. Die Vergrösserung eines einzelnen Nano- drahts (d) gibt eine Vorstellung über die Winzigkeit eines einzelnen Qubits. SNI-Meldung: Der Nanodraht ist mit einem Supraleiter (cyan) beschichtet. Der eigentliche https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/starke-kopplung-zwischen-andreev- Andreev-gebundene Zustand, der die Qubitzustände bildet, be昀椀ndet sich in qubits-ueber-einen-mikrowellenresonator/ dem durch den roten Pfeil gekennzeichneten zentralen weissen Abschnitt. Originalpublikation: Auch auf dem linken Quantenbauelement be昀椀ndet sich ein ähnlicher Na- https://www.nature.com/articles/s41567-024-02630-w nodraht. (Bild: C. Schönenberger, Departement Physik, Universität Basel) Reibung hängt von Geschwindigkeit ab Ein Team mit Forschenden aus dem SNI-Netzwerk hat kürzlich gezeigt, dass auf der Nanometerskala Reibungs- kräfte von der Geschwindigkeit abhängen. Die Forschen- den vom Departement Physik der Universität Basel haben dazu die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM für Atomic Force Microscopy) über eine Monolage Molybdän- disul昀椀d auf einer Goldober昀氀äche bewegt. Sie stellten fest, dass in einem breiten Geschwindigkeitsbereich von 10 bis 100 Nanometern pro Sekunde, die Reibung zwischen der AFM-Spitze und der Ober昀氀äche abnimmt. SNI-Meldung: https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/reibung-haengt-von-geschwindigkeit-ab/ Originalpublikation: Mit einem AFM untersuchen Forschende die Reibung auf der Nanome- https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.136201 terskala auf einer Monolage Molybdändisul昀椀d auf einer Goldober昀氀äche. (Bild: Departement Physik, Universität Basel) SNI INSight Dezember 2024 28
2D-Schicht aus Phosphor-Pentameren: Auch auf Metall mit Halbleitereigenschaften Phosphor ist ein spannendes Element, das sowohl über- lebenswichtig für Organismen ist wie auch zahlreiche elektronische Anwendungen verspricht. Daher haben For- schende der Universität Basel auf einer Silberober昀氀äche Fünferringe von Phosphoratomen (Phosphor-Pentamere (Cyclo-P5)) synthetisiert und ihre elektronischen Eigen- schaften erstmals mithilfe kombinierter Rasterkraft- und Rastertunnelspektroskopie untersucht. Sie stellten dabei fest, dass die atomare Phosphor-Pentamerschicht ihre Halbleitereigenschaften beibehält und sich an der Grenz- 昀氀äche zur Silberober昀氀äche eine spezielle elektronische Schnittstelle ausbildet (p-Typ-Halbleiter-Metall-Schottky- Wenn sich durch Selbstorganisation Fünferringe von Phosphoratomen Übergang). (Phosphor-Pentamere) auf einer Silberober昀氀äche bilden, behält die zwei- dimensionale Phosphorschicht ihre Halbleitereigenschaften bei. An der SNI-Meldung: Grenz昀氀äche zur Silberober昀氀äche bildet sich eine spezielle Schnittstelle https://nanoscience.unibas.ch/de/news/details/2d-schicht-aus-phosphor-pentameren- (p-Typ-Halbleiter-Metall-Schottky-Übergang). (Bild: R. Pawlak, Departe- auch-auf-metall-mit-halbleitereigenschaften/ ment Physik, Universität Basel) Originalpublikation: https://www.nature.com/articles/s41467-024-50862-4 Volles Haus beim NanoTec Apéro Die interne Nano-Community sowie interessierte For- schende aus der Industrie und von Forschungsinstitu- tionen der Nordwestschweiz waren im November zum NanoTec Apéro eingeladen. Das Team vom Park Inno- vaare war dieses Jahr Gastgeber des Events. Nach einer interessanten Führung am Paul Scherrer Institut erhiel- ten alle Anwesenden einen Einblick in die angewandte Forschung im Rahmen des Nano-Argovia-Programms und hatten Gelegenheit, neue Kontakte zu knüpfen und Ideen für Projekte auszutauschen. Impresssionen: https://youtube.com/shorts/tDm5riP0UFo Über 70 Teilnehmer:innen informierten sich beim NanoTec Apéro und nutzten die Gelegenheit Kontakte auszubauen. Teilnahme an Schnupper Schools der Universität Basel Auch die von der Universität Basel ausgerichteten Sum- mer und Winter Schnupper Schools sprechen Jugendli- che an. Das SNI-Team beteiligte sich daran und gibt den interessierten Schüler:innen einen Einblick in die Nano- wissenschaften und informiert über den interdisziplinä- ren Studiengang Nanowissenschaften. Zudem können die Teilnehmer:innen anhand einiger Experimente auch erleben, wo «Nano» eine Rolle spielt. Bei der Summer und Winter Schnupper School gibt es so einiges aus- Impressionen: https://www.youtube.com/shorts/Jx_y-pC6TK0 zuprobieren. SNI INSight Dezember 2024 29
Austausch auf dem Rüeblimärt Mit ganz unterschiedlichen Altersgruppen – vom Klein- kind bis zu den Grosseltern – kommt das SNI-Team am jährlich in Aarau statt昀椀ndenden Rüeblimärt in Kontakt. Am SNI-Stand konnten dieses Jahr Klein und Gross An- hänger mit UV-Warnperlen basteln und dabei noch etwas über Licht und das SNI erfahren. Impressionen: Der Rüeblimärt bietet eine gute Gelegenheit über «Nano» zu informie- https://www.youtube.com/shorts/RiD_1zbz4_0 ren und unterhaltsame und lehrreiche Aktivitäten anzubieten. (Bild. K. Beyer-Hans, SNI) Macht hoch die Tür! Bei der SNI-Weihnachtsaktion für Tüftler:innen und Basteler:innen gab es dieses Jahr ein Mechanikset zu gewinnen, mit dem sich ein Lebkuchenhaus mit Zugbrü- cke und Kuckuck basteln lässt. Die Outreach-Managerin Dr. Kerstin Beyer-Hans hat dazu eine umfassende Video- Anleitung erstellt und kürzlich 14 Gewinner:innen mit dem Fischertechnik-Set das nötige Zubehör geschickt. Wir sind gespannt auf die Bilder der Lebkuchenhäuser, die damit entstehen. Trailer: https://youtube.com/shorts/XUvkyMQ1NxI Dank einer versteckten Mechanik lässt sich die Zugbrücke des Lebku- chenhauses herunterdrehen. (Bild: K. Beyer-Hans, SNI) Video-Anleitung: https://youtu.be/yfe2IT79ztE Teilnahme am Global Science Film Festival Im November fand das Global Science Film Festival 2024 statt, an dem sich das SNI zum ersten Mal beteiligt hat. Wir haben dazu ein 6-minütiges Video über die Entwick- lung und Anwendung des Rasterkraftmikroskops produ- ziert. Prof. Dr. Christoph Gerber hat zunächst das Prinzip erklärt und sich erinnert, was vor fast 40 Jahren die In- tention bei der Entwiclung des AFMs war. Forschende aus dem SNI-Netzwerk haben dann kurz erläutert für welche vielfältigen Anwendung sie die ganz unterschiedlichen Rasterkraftmikroskope benötigen. Das Video über das Rasterkraftmikroskop lief im Rahmen des Global Video: Science Film Festivals im Stadtkino in Basel. https://youtu.be/WtpDUhmIjsE Kontakt mit zahlreichen Jugendlichen bei den Science Days im Europa-Park Rust Ein Highlight für das SNI-Outreach-Team ist jedes Jahr die Teilnahme an den Science Days im Europa Park Rust (Deutschland). Hier hat des SNI Outreach-Team die Gele- genheit mit tatkräftiger Unterstützung durch Nano-Stu- dierende zahlreiche Jugendliche mit Experimenten und Aktivitäten für Naturwissenschaften zu interessieren. Diese Jahr war das Thema «Du und deine DNA». Impressionen: Bei den Science Days drehte sich am SNI-Stand alles um DNA. (Bild: K. https://youtube.com/shorts/Jx_y-pC6TK0 Beyer-Hans, SNI) SNI INSight Dezember 2024 30
Masterfeier im Wild’schen Haus Am Ende des Jahres feiern wir seit einigen Jahren mit den Absolvent:innen des Masterstudiums Nanowissen- schaften den erfolgreichen Abschluss ihres Studiums. Es ist für alle Beteiligten ein freudiges Ereignis zu sehen, wie sich die jungen Wissenschaftler:innen entwickelt ha- ben, seit sie vor ein paar Jahren an die Universität Basel gekommen sind, um Nanowissenschaften zu studieren. Sie haben die Grundlagen in allen Naturwissenschaften gelernt und sich dann spezialisiert. Es stand so manche anspruchsvolle Prüfung an, welche die Studierenden auch dank des guten Zusammenhalts bewältigt haben. Ende Oktober haben die Absolvent:innen von 2024 nun ihre Urkunden erhalten und mit den Eltern und einigen Mitgliedern des SNI-Management-Teams auf diesen Erfolg Die Masterfeier für die Nanostudierenden ist der krönende Abschluss anstossen können. Wir wünschen allen viel Erfolg, Glück des interdisziplinären Studiums. (Bild: K. Schad) und Erfüllung auf dem weiteren Weg! Impressionen: https://youtube.com/shorts/s53w0E9BxEU Zukunftstag 2024 Sechzehn Jugendliche haben am gemeinsamen Angebot des Departements Physik und des SNI teilgenommen. Anhand kleiner Experimente konnten die Schüler:innen spannende Eigenschaften von Schallwellen selbst erle- ben. Beim Löten eines Geschicklichkeitsspiels war dann Fingerspitzengefühl gefragt. Beim Zukunftstag erhielten die Schüler:innen einen Einblick in die Nano- wissenschaften und die Physik. Portrait von Sonja Schmid in UNI NOVA In der aktuellen Ausgabe von UNI NOVA ist ein Artikel über die Arbeit der Assistenzprofessorin Dr. Sonja Schmid (Departement Chemie, Universität Basel) erschienen. Sonja Schmid ist Mitglied im SNI-Netzwerk und entwi- ckelt Methoden, um einzelnen Proteinen direkt bei der Arbeit zuschauen. Sie verwendet dazu unter anderem Nanoporen, die einzelne Moleküle passieren lassen und damit Aufschluss über ihre Struktur liefern. Artikel UNI NOVA: https://www.unibas.ch/de/Aktuell/Uni-Nova/Uni-Nova-144/Uni-Nova-144-Molekuele- im-Galopp.html Video-Portrait Sonja Schmid: Sonja Schmid hat in Basel Nanowissenschaften studiert. Jetzt lehrt und https://youtu.be/gVNoO2Dk6TY forscht sie am Departement Chemie und ist auch Mitglied des SNI- Netzwerks. SNI INSight Dezember 2024 31
SNI jetzt auf BlueSky Das SNI-Team wird seinen Twitter/X-Account ruhen lassen und statt dessen über BlueSky Neuigkeiten aus dem Netzwerk verbreiten. Auch die Universität Basel, andere Netzwerkpartner wie die Fachhochschule Nordwestschweiz und das Paul Scherrer Institut sowie verschiedene Departemente der Universität Basel sind auf BlueSky aktiv. «Folgt uns doch auf @sniunibas.bsky.social und teilt unsere News!» SNI INSight Einblicke in Forschung und Aktitvitäten am Swiss Nanoscience Institute Konzept, Text und Layout: C. Möller, B. Utinger, M. Poggio Korrektorat: C. Wirth Bilder: C. Möller und angegebene Quellen © Swiss Nanoscience Institute, Dezember 2024 SNI INSight Dezember 2024 32
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