Projekter vi har finansieret

Jorden er unik ved at være kendetegnet ved en granitisk kontinentalskorpe. Men hvordan, hvornår og hvorfor denne skorpe udvikledes i løbet af geologisk tid debatteres. Det er generelt enighed om, at kontinentalskorpe i dag dannes ved subduktionszoner, men hvad med tidligere i Jordens historie, hvor pladetektonik som vi kender den var i sin vorden? Zirkon er et mineral, der er almindelig i granitiske bjergarter og som bevarer vigtige geokemiske information om skorpedannelse. Geologien i store områder af skorpen kan forstås ved at undersøge små zirkon krystaller, som er indsamlet og koncentreret i flodsedimenter i regionen. Vi vil bruge in situ analyseteknikker (O, Hf og U-Pb isotoper samt sporgrundstoffer i sub-mm vækstzoner i individuelle krystaller) på zirkoner fra floder i Skandinavien og Grønland for at undersøge hvordan, hvorfor og hvornår kontinentalskorpe blev dannet i disse regioner. Skandinavien og Grønland indeholder bjergarter fra det meste af Jordens historie, og derfor er ideelle til denne type undersøgelse. Resultaterne vil blive sammenlignet med tilsvarende undersøgelser for at bidrage til vores forståelse af processerne bag de globale vækster af kontinentalskorpen, hvorvidt skorpen er vokset kontinuerligt eller uregelmæssigt over geologisk tid, og om mekanismerne har ændret sig over Jordens historie. Endelig kan resultaterne give forbindelser mellem, hvordan ændringer i skorpen over tid har påvirket udviklingen af Jordens atmosfære, hydrosfære, og biosfæren.

I dag findes der computere overalt – på arbejdet, i bilen, hjemme, til og med i mobiltelefonen i lommen – og de har forandret verden næsten til uigenkendelighed. Ikke desto mindre er disse mageløse maskiner i bund grund ganske simple og dumme: alt hvad de kan gøre er at bytte rundt på nuller og ettaller. Hvor langt kan man nå med den slags regnemaskiner? Hvad er grænsen for, hvad man kan løse effektivt med automatiserede beregninger? Forståelse af sådanne spørgsmål er, hvad dette projekt går ud på. Kompleksitetsteori gør det muligt at undersøge disse dybe og fascinerende filosofiske spørgsmål med stringente matematiske metoder. Et beregningsproblem er enhver opgave, som i princippet kan løses af en computer – d.v.s. gennem mekanisk at følge en liste med instruktioner, eller en algoritme. Ved at modellere dette matematisk kan man studere, hvordan man designer effektive algoritmer men også bevise matematisk, at visse typer beregningsproblemer har iboende egenskaber, som gør at de ikke kan løses effektivt. I dette projekt vil vi undersøge indviklede kombinatoriske optimeringsproblemer, som er af grundlæggende matematisk betydning men også har mange anvendelser i industrien. Målet er at bevise formelt, at de nuværende algoritmiske teknologier ikke løser disse problemer men også parallelt at udvikle nye algoritmer, som har potentiale til at blive radikalt meget mere effektive end dem, som vi anvender i dag.

I mere end 100 år har vi forstået kommunikation mellem molekyler ud fra paradigmet om, at form bestemte funktion, således at molekylerne skulle passe sammen som nøgler i låse. Paradigmet har betydet, at vi i dag tænker meget snævert omkring molekylær kommunikation. Med det humane genom fik vi adgang til alle vores proteiner, og det viste sig at omkring 40% af dem ikke optræder i nogen fast form, men i stedet antager en samling af forskellige, meget dynamiske strukturer. Selv i komplekser med andre molekyler, kan de bevare deres dynamik, og med den seneste opdagelse af et kompleks bestående udelukkende af dynamiske proteiner, altså proteiner helt uden fast form, er det tid til at gentænke det gamle paradigme. De meget dynamiske komplekser dannes af stærkt ladede proteiner, og videnskaben forstår i dag ikke, hvorledes disse komplekser kan være specifikke, det vil sige hvordan de undgår at binde til alle andre, modsat ladende proteiner omkring sig. Dette projekt vil gennem biofysiske analyser af forskelligartede og repræsentative ladede, dynamiske proteiner aflede og afkode principper for specificitet og funktionalitet, der gør sig gældende for ladede, dynamiske funktionelle enheder i proteiner. Resultatet kan få betydning for, hvordan vi i fremtiden kan anvende nye typer af proteiner til fx medicin og i bioteknologi, eksempelvis i udviklingen af tørkeresistente afgrøder og formulering af medicin.

Celler i planter og dyr har vidt forskellige egenskaber, men indeholder ikke desto mindre de samme gener. Dette skyldes, at forskellige sæt af gener er aktive i forskellige celler. Gener kan tændes og slukkes på selve DNAet, og når de er tændte, produceres genkopier – såkaldt mRNA. mRNA fungerer som den direkte instruks, som cellerne skal bruge for at bygge de proteiner, der giver dem deres egenskaber. Under en organismes udvikling modnes celler gradvist fra ”forstadieceller” eller stamceller, der kan blive til mange forskellige celletyper afhængig af, hvilke signaler, de modtager fra deres omgivelser. Under en sådan udvikling er det ikke alene nødvendigt, at nye gener aktiveres og andre slukkes på DNAet; en korrekt overgang fra et stadium til et andet forudsætter også, at eksisterende mRNA genprodukter fra forstadieceller fjernes i tide. Helt nye resultater i dyr tyder på, at kemisk modificeret mRNA spiller en meget vigtig rolle i kontrollen af sådanne udviklingsovergange, og vi har netop vist, at fundamentale aspekter af planters udvikling også er styret af kemisk modificeret RNA. Dette projekt bringer førende forskerhold i plantemolekylærbiologi og bioinformatik fra Danmark, Østrig og Tyskland sammen om at forstå, hvordan kemisk modificeret RNA styrer udviklingsovergange i planter.

Magnetogenetik er en ny ide, der kombinerer magnet felter med proteiner produceret i kroppens egne celler. Magnetiske felter kan trænge igennem selv tyk hud, og magnetogenetik kan potentielt bruges til at diagnosticere eller kontrollere individuelle celler, evt. i hjernen på et levende dyr. Cellernes lille størrelse er dog en udfordring, da den magnetiske kraft på de enkelte proteiner generelt er for lille til at skabe en virkning. I dette projekt bruger vi en hul protein cylinder, der bliver produceret i de levende celler, og kobler den med jern-bindende molekyler til at skabe magnetiske stave (M-ROD) inden i de enkelte celler. Disse kompasnåle kan produceres i specifikke områder af hjernen på en mus til at studere neurologiske sygdomme, eller de kan indsættes i en kræftknude og bruges til behandling.

Målet med dette projekt er, ved hjælp af organisk syntese, at fremstille unikke og hidtil ukendte molekylære maskiner, der vil være i stand til at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi. Undersøgelser af sådanne molekylære systemer er blandt andet vigtige for at opnå en bedre forståelse for virkemåden af de komplekse maskiner og motorer naturen anvender i eksempelvis den menneskelige krop. Projekterne vil tage udgangspunkt i design, udvikling og afprøvning af såkaldte rotaxaner. Overordnet består rotaxaner af en stang, som er omkranset af en ring, og i hver ende af stangen sidder der en prop, som hindrer ringen i at ryge af. Ved at sende en svag strøm gennem rotaxan-molekylet kan ringen bevæge sig mellem to eller flere positioner på stangen. Ringens placering kan eksempelvis svare til tændt eller slukket i en almindelig kontakt. I samarbejde med førende danske og amerikanske forskere vil de fundamentale kemiske og fysiske egenskaber af de fremstillede molekylære maskiner blive undersøgt. Der vil samtidigt blive udviklet nye platforme, hvor guldoverflader bliver påhæftet kemiske håndtag, hvorefter de bedst egnede molekylære maskiner vil blive ”klikket” fast til guldoverfladens håndtag. Håbet er, at man herved kommer et signifikant skridt nærmere molekylære systemer, der vil være i stand til at udføre et reelt stykke arbejde.

Transport af vand og sukker er afgørende for en plantes eksistens. Dette foregår i plantens to karsystemer, der består af hhv. xylemet, hvor vand med næringssalte trækkes fra jorden op til bladene, og phloemet, hvor sukker, skabt ved fotosyntese, eksporteres fra bladene. Vandet, der kommer op i bladene (i et nåletræ: nålene), kan i) fordampe ud gennem bladets overflade; ii) bruges til fotosyntese; eller iii) anvendes til at drive sukkertransport i phloemet. Hvordan denne balance styres og tilpasses til miljøet, er ikke velundersøgt, ikke mindst fordi processerne foregår skjult i bladet. Det antages normalt at vand optages osmotisk gennem karrenes overflade (Münchhypotesen); men ifølge vores beregninger vil dette føre til en ineffektiv strømning i nåletræer med særlig lange nåle, hvor sukkeret nær spidsen i teorien aldrig vil kunne eksporteres. Vores hypotese er, at forståelsen af, hvordan transporten paradoksalt nok alligevel foregår i naturen, kræver kendskab til hele strømningsforløbet fra det grønne væv, hvor fotosyntesen foregår, gennem skeden, som beskytter karsystemerne mod luft, til phloemets kar, som tager sig af lang-distancetransporten til resten af træet. Vi vil anvende synkrotron-røntgentomografi og fluorescens- og elektronmikroskopi til at studere vandbevægelsen i nåletræer og kombinere dette med teoretisk modellering for at forstå de vigtigste kontrolpunkter i vandtransporten og hvordan disse påvirkes af et skiftende miljø.

Det Arktiske hav er påvirket af de floder, der grænser op til den. Dette gør det unikt i forhold til de andre oceaner og giver en tydelig lagdeling. Der er et lag med vandtemperaturer tæt på frysepunktet for havvand, som isolerer overfladen fra varmere vande nedunder der stammer fra Atlanterhavet. Uden dette lag ville der ikke være havis i det centrale arktiske ocean. Dette lag har også høje koncentrationer af organisk stof fra floder. Vi har udviklet teknikker til let at spore organisk stof fra floder i havet og vi vil kombinere disse med radioisotopmålinger for at spore oprindelsen af dette vandlag. Vi vil også studere passagen af organisk kulstof gennem arktishavet og undersøge dets nedbrydning fra UV-lys og mikrober. Begge processer konverterer organisk kulstof til CO2, og arktiske klimaforandringer ændrer det hastighed, som disse processer forgår på. Tilførslen af organisk materiale fra arktiske floder er stigende på grund af klimaopvarmning og permafrost optøning. Dette projekt vil give den viden, der kræves for at kvantificere konsekvenserne på den globale kulstofcyklus og tilbyde nye metoder til at spore havcirkulation i arktisk.

I kvantemekanikken findes der to slags partikler i vores almindelige 3-dimensionelle verden: bosoner og fermioner. De adskiller sig ved, at den kvantemekaniske bølgefunktion bliver ganget med +1 eller -1 ved ombytning af to partikler. Denne lille forskel gør en stor forskel for, hvordan for eksempel faste stoffer opfører sig. I to dimension er der flere muligheder end bosoner og fermioner. De mest eksotiske af disse er, at selve grundtilstanden for systemet ændres ved ombytning af to partikler. Disse kaldes ikke-abelske anyoner og er endnu ikke observeret i naturen. Dette projekt omhandler en ny mulighed for at studere denne nye type frihedsgrader, nemlig en særlig type superledere, som kan laves ved at kombinere traditionelle superledere med halvledere. Under de rette omstændigheder opnår man en såkaldt topologisk superleder, som har "Majorana fermioner" lokaliserede til endepunkter. Majorana fermioner er netop ikke-abelske anyoner. Projektet omhandler teoretiske beregning af eksperimentelle systemer til eftervisning af Majorana fermioners egenskaber. Den ikke-abelske egenskab indebær bl.a. at information om systemets tilstand er "gemt" ikke-lokalt, hvilket måske er den mest fascinerende egenskab, og muligvis teknologisk interessante i kvanteinformationsteknologi. Projektet udføres i tæt samarbejde med teoretiske og eksperimentelle fysikkere.

Ny forskning viser, at sammensætningen af samfundet af mikroorganismer (mikrobiomet) omkring planterødder har afgørende betydning for planternes vækst og sundhed, og at planterne omvendt påvirker mikrobiomets sammensætning. Moderne kornsorter er forædlet med et snævert fokus på højt udbytte og sygdomsresistens. Dette kan have den utilsigtede og uheldige konsekvens, at planternes evne til at udnytte samspillet med mikrobiomet ikke fungerer optimalt. For at analysere denne problematik eksperimentelt vil vi dyrke moderne og oprindelige sorter af byg med forskellige mikrobiom-sammensætninger. Vi vil især fokusere på hvordan protozoer og nematoder, der æder bakterier, påvirker mikrobiomet, og hvordan dette, i kombination med forskellige gødningstyper og -niveauer påvirker bygplanternes vækst. Vi vil sideløbende måle niveauer af essentielle næringsstoffer, og monitere diversiteten af mikrobiomet i jord og plante, samt identificere, hvilke gener der udtrykkes differentielt, både i planter og mikrobiomer. Vi forventer at: i) forbedre forståelsen for mekanismer i planterne, der er nødvendige for en hensigtsmæssig interaktion med mikrobiomet, ii) detektere ændringer i mikrobiom-diversiteten induceret af planterne, og iii) dokumentere betydningen af mikrobiom-sammensætningen for planters vækst og kvalitet. Denne viden har store perspektiver i udviklingen af fremtidige forædlings- og dyrkningsstrategier.