Ab-initio Zugänge zu topologischen Materiezuständen

Pathogene und Parasiten spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle in verschiedenen Ökosystemen. Während einige, ausgewählte Taxa sehr gut untersucht sind, sind andere nicht weniger bedeutende Gruppen in weiten Teilen unerforscht. Ein Beispiel hierfür sind Phytomyxea (Endomyxa, Rhizaria), die als Parasiten wichtiger Kulturpflanzen bekannt sind (z. B. Plasmodiophora brassicae, der Erreger der Kohlhernie). Allerdings können Phytomyxea aufgrund ihrer obligat biotrophen Lebensweise nicht in Reinkultur sondern nur gemeinsam mit ihrem Wirt untersucht werden, was den experimentellen Zugang massiv erschwert. Ziel von HI-PHY ist es, die Interaktionen von Phytomyxea und ihren Wirten auf genetischer Ebene zu verstehen. Vergleichende Transkriptomanalysen werden mit in-situ Visualisierungsmethoden von mRNA kombiniert, wodurch es möglich werden soll, spezifische genetische Prozesse in individuellen Zellen nachzuweisen. Mithilfe dieser Methodenkombination sollen (i) grundlegende Mechanismen in der Pathogenabwehr von eukayontischen Zellen identifiziert werden, (ii) systemische und lokale Einflüsse einer Infektion mit Phytomyxea auf den Wirt analysiert werden und (iii) grundlegende, detaillierte Einblicke in die Biologie und den Lebenszyklus von Phytomyxea gewonnen werden. Dazu werden anfänglich die Transkriptome des Kohlhernie-Erregers Plasmodiophora brassicae (Wirt: Arabidopsis thaliana), von Maullinia ectocarpii (Wirt: Ectocarpus fasciculatus; Braunalge) und Woronina pythii (Wirt: Pythium sp.; Oomyzet) analysiert. Durch den direkten Vergleich auf molekularer Ebene von Plasmodiophorida (P. brassicae, W. pythii) und Phagomyxida (M. ectocarpii) ist ein tieferes Verständnis der Biologie und Genetik der Phytomyxea zu erwarten. Die Analysen dieser Transkriptome ermöglichen erstmalig einen gezielten Vergleich der Genetik der Pathogenabwehr in Pflanzen (Arabidopsis) und Stramenopilen (Ectocarpus, Pythium) was Einblicke in basale, gemeinsame Prozesse der Pathogenabwehr von Eukaryonten ermöglicht. Obwohl diese Transkriptomdaten unser Wissen über Phytomxea-Wirt-Interaktionen enorm erweitern werden, sind sie dennoch nur eine Momentaufnahme. Um die Funktionen der beteiligten Prozesse zu verstehen, müssen mRNA-Signale mit einzelnen Wirtszellen und/oder spezifischen Stadien im Lebenszyklus des Parasiten in Verbindung gebracht werden, was hier mithilfe von hochauflösende FISH-Methoden möglich wird. Dadurch können spezifische Genaktivitäten einzelnen Wirtszellen bzw. einzelnen Stadien des Lebenszyklus des Parasiten zugeordnet werden, was den Grundstein für ein gesamtheitliches Verständnis von Phytomyxea und ihrem Zusammenspiel mit ihren Wirten legen wird. So können einerseits für verschiedene Gruppen einzigartige und andererseits allen Eukaryonten gemeinsame Prozesse der Pathogenabwehr erkannt werden. HI-PHY wird grundlegende, völlig neue Erkenntnisse zur Biologie der Phytomyxea und der Interaktion mit ihren Wirten liefern und unser Wissen und Verständnis über Gemeinsamkeiten und Unterschiede in verschiedenen, spezifischen Wirt-Pathogen-Beziehungen deutlich steigern.

Stark korrelierte Elektronensysteme zeigen eine Vielzahl von interessanten Effekten, die auf die Wechselwirkung der Teilchen untereinander zurückzuführen sind, und die für unabhängige Teilchen nicht auftreten können. Berühmte Beispiele sind unkonventionelle Supraleitung, kolossaler Magnetwiderstand, oder sogenannte Schwere-Fermionen Verbindungen. In den letzten Jahren trat eine spezielle Klasse von Materialien in den Fokus der internationalen Forschung, nämlich Materialien, die schwere Atomkerne enthalten. In diesen Elementen tritt die Spin-Bahn Wechselwirkungen der Elektronen in den Vordergrund, und verändert dadurch die Eigenschaften im Vergleich mit ähnlichen Verbindungen, die aus leichteren Elementen bestehen. So werden zum Beispiel in Iridium Oxiden die Wechselwirkungen der Elektronen so weit verstärkt, dass ein Isolator entsteht. Darüber hinaus ist die Spin-Bahn Kopplung auch verantwortlich für sogenannte topologische Eigenschaften von Materialien. Diese Eigenschaften sind rein in globalen Faktoren wie der Symmetrieklasse des Kristalls begründet, und sind damit robust gegen kleine Störungen von außen. Die theoretische Beschreibung solcher Eigenschaften und Materialien ist äußerst aufwändig, weil gängige Methoden, sowohl analytischer als auch numerischer Natur, an ihre Grenzen stoßen. Um trotzdem Aussagen über das Verhalten treffen zu können, sind Näherungen notwendig, die aber im Optimalfall klein sind und kontrolliert werden können. Eine dieser Näherungsmethoden ist die dynamische Molekularfeldtheorie, die wir auch in diesem Projekt einsetzen. In Verbindung mit Bandstrukturmethoden erlaubt das ein sehr komplette Berechnung von Materialeigenschaften in-silico, das heißt komplett am Computer mit einer minimalen Anzahl von einstellbaren Parametern. Diese Verfahren wird ab-initio Berechnungen genannt. Ziel dieses Projektes war es, manche dieser numerischen Methoden weiterzuentwickeln, und auch neue Methoden zu implementieren, um die Vorhersagen der ab-initio Berechnungen zu verbessern, beziehungsweise sie in Parameterbreichen anzuwenden, wo es bisher nicht möglich war. So ist es mit den neuen Methoden möglich, Berechnungen am absoluten Nullpunkt der Temperatur durchzuführen, mit einer Energieauflösung die bisher unerreicht war. So konnten wir damit zum Beispiel untersuchen, wieso manche Materialien keinen magnetisch geordneten Zustände zeigen, obwohl das auf den ersten Blick zu erwarten wäre. Eine weitere Anwendung waren topologische Materialien, wo der Zusammenhang zwischen Spin-Bahn Kopplung und elektronischen Wechselwirkungen aufgeklärt werden konnte. Auch wenn diese Fragestellungen und Aussagen auf den ersten Blick von rein akademischer Natur sind, so ist ein fundamentales Verständnis von solchen Materialeigenschaften wichtig, um daraus für zukünftiges Materialdesign zu lernen. Wollen wir gewisse Eigenschaften optimieren, so ist es sehr wichtig den Ausgangspunkt sehr gut zu verstehen. Dazu hat dieses Projekt seinen Beitrag geleistet.