Projekter vi har finansieret

Er der orden i kaos? Molekyler er al tings fundamentale byggesten. I faste materialer er disse byggesten ofte stablet oven på – og ved siden af – hinanden i en stabil struktur; ligesom mursten stables, når man bygger et hus. Denne type materialer kaldes krystallinske, fordi molekylerne er arrangeret i et krystalgitter; som i f.eks. iskrystaller eller diamanter. Det faste materiales egenskaber er hovedsageligt bestemt af kræfterne mellem molekylerne, svarende til mørtlen mellem murstenene. Der findes dog også en anden type fast materiale, hvor molekylerne befinder sig i en kaotisk, tilfældig orden. Denne type faste materialer kaldes amorfe materialer, og et berømt eksempel er vinduesglas. Det har vist sig, at samme forbindelse kan have forskellige amorfe former. Dette fænomen kaldes polyamorfisme. Fænomenet kan måske skyldes en tilbageblivende orden på lille skala (f.eks. mellem kun nogle få molekyler), hvorimod den overordnede orden forbliver tilfældig. Dette fænomen giver nogle meget fascinerende muligheder for såvel grundlæggende som anvendt videnskab. For eksempel vil forskellige amorfe former af et lægemiddel muligvis vekselvirke forskelligt med menneskekroppen, og derved give mulighed for nye terapeutiske strategier. Målet med dette projekt er at undersøge disse såkaldte polyamorfer, for at svare på hvordan de formes, og om vi er i stand til at anvende dem, for eksempel i lægemiddel-udvikling.

Kemiske reaktioner spiller en helt central rolle i kemi og biologi. Traditionelt er udfaldet af sådanne reaktioner blevet påvirket ved anvendelse af klassiske teknikker som opvarmning eller bestråling med lys (fotokemi). I dette projekt vil vi undersøge, hvorledes man kan styre udfaldet af kemiske reaktioner vha. kvanteteknologi, dvs. en teknik som udnytter kvantemekanikkens love for atomer og molekyler. Et centralt koncept i kvanteteknologi er såkaldt kvante-interferens. Kvante-interferens i molekyler kan kontrolleres vha. fase-kohærent laserlys, og målet er, at dette kan lede til højere udbytter/selektivitet sammenlignet med traditionel fotokemi. Ved hjælp af kvantemekanisk teori og beregninger undersøger vi, i samarbejde med en eksperimentel gruppe, fotoisomeriserings-processer, specielt ”foto-switch” molekyler, dvs. molekyler som kan skifte mellem stabile konformationer (fx trans- og cis-former) ved anvendelse af lys. ”Foto-switch” molekyler har fx mulige anvendelser i nanoteknologi og fotofarmakologi. Optimerede udbytter/selektivitet af disse processer har således stort potentiale.

Kvantegasser og –væsker spiller i dag en væsentlig rolle i både medicinske og industrille anvendelser. For eksempel er både de superledende magneter og den helium de nedkøles med i hospitalernes MRI-skannere eksempler på kvantevæsker. Forståelse af disse mangelegeme-systemers makroskopiske egenskaber er ofte begrænset til svage vekselvirkninger mellem partiklerne. Her kan deres indbyrdes vekselvirkning gennem kollisioner behandles som et gennemsnit af vekselvirkningen med alle partiklerne. Lee, Huang og Yang fandt i 1957 den første korrektion til denne tilgang der skyldes kvantefluktuationer, men kun for nyligt er det blevet muligt at observere disse højere-ordens effekter i ultrakolde atomare gasser. Vi foreslår en nyskabende tilgang til at studere disse kvantefluktuationer. Ved at danne Bose-Einstein-kondensater med atomer i to forskellige tilstande kan vi justere deres indbyrdes vekselvirkninger. Derved kan vi danne et kondensat, hvor den gennemsnitlige påvirkning af en partikel fra kollisioner med de omgivende atomer udslukkes. En sådan gas er fuldstændig domineret af kvantefluktuationerne som vi dermed opnår en unik mulighed for at studere. Det kan potentielt føre til en ny klasse af kvantesimulatorer der kan anvendes til at studere den kvantemekaniske opførsel af andre svært tilgængelige systemer.

Projektet omhandler matematisk definerede rum med særlige geometriske egenskaber. Formålet er at undersøge de analytiske egenskaber af et rum som er symmetrisk overfor en gruppe af rumlige transformationer. Som eksempel kan nævnes overfladen af en kugle. Kugleoverfladen har de samme geometriske egenskaber i alle dens punkter, da den er rotationssymmetrisk. I projektet studeres i en generel ramme de analytiske egenskaber af geometriske rum, der har visse strukturer tilfælles med kugleoverfladen. Det drejer sig om funktionsteori for disse rum, herunder navnlig at opbygge en teori for harmonisk analyse. Harmonisk analyse består i at udføre en form for frekvensanalyse af funktionerne på rummet. I tilfældet med kugleoverfladen er det en velkendt metode som bygger på systemet af kuglefunktioner (spherical harmonics). Disse er udbredt anvendt feks indenfor atomfysik, geofysik og datalogi, og deres væsentlige egenskaber er afgjort ud fra deres opførsel i forbindelse med kugleoverfladens symmetrier, altså gruppen af rotationer. I projektets ramme erstattes kuglefladen og rotationsgruppen med mere generelle objekter. Det betyder at frekvensanalysen kan give anledning til både et diskret og et kontinuert spektrum. Det primære mål med projektet er at give en generel beskrivelse af det diskrete spektrum. Kendskab til visse egenskaber ved det diskrete spektrum viser sig at være en nødvendig forudsætning for at give en fuldstændig beskrivelse også af det kontinuerte spektrum.

Proteiner, som består af aminosyrekæder, er livsvigtige for alle celler. Celler indeholder derfor protein-fabrikker, kaldet ribosomer, som laver proteiner efter genetiske opskrifter. I bakterier fragtes aminosyrerne til ribosomet af hjælpe-proteinet EF-Tu. EF-Tu sikrer, at de korrekte aminosyrer udvælges, inden de sammenkædes på ribosomet. Detaljerede strukturstudier af EF-Tu’s rumlige opbygning viser, at EF-Tu består af tre separate enheder, som bevæger sig, når EF-Tu afleverer aminosyrer på ribosomet. Strukturstudier giver imidlertid kun statiske billeder, så vi ved ikke, hvordan EF-Tu kommer fra én struktur til den næste. Denne viden er nødvendig, hvis man vil forstå EF-Tu’s virkemåde. I dette projekt vil vi bruge avanceret fluorescens-mikroskopi til analyse af enkelte EF-Tu-molekylers bevægelse, hvilket gør det muligt at følge de rumlige ændringer, som finder sted i EF-Tu på ribosomet. I biokemiske protein-analyser ser man oftest på flere millioner molekyler ad gangen, og resultatet bliver et gennemsnit af mange protein-molekylers egenskaber. I dette projekt studerer vi i stedet ét EF-Tu-molekyle ad gangen, hvorved vi får værdifulde og præcise oplysninger, som forklarer EF-Tu’s funktion og virkemåde. Projektet foregår i samarbejde med prof. Y. Goldman på Pennsylvania Universitet. Bakteriers protein-fabrik er målet for mange slags antibiotika. Vores resultater kan danne basis for design af nye typer af antibiotika til bekæmpelse af sundhedsfarlige resistente bakterier.

Nye observationer af hvor hurtigt universet ekspanderer udfordrer vores forståelse af universet. ESA’s Planck satellit lavede i 2009-2013 de mest præcise målinger, vi har af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, som er et levn fra selve Big Bang. Fra de målinger, kan vi, hvis vi antager at vores model for universet er korrekt, udlede ekspansionsraten af universet i dag (kaldet Hubble konstanten). Vi kan også måle ekspansionsraten af universet i dag direkte ved hjælp af supernova observationer. Problemet er at de to metoder ikke giver det samme resultat. Deraf konkluderer vi at vores model for universet er ukorrekt. Det er det vi kalder Hubble konstant problemet med standardmodellen (Lambda-CDM modellen) for vores univers. I dette projekt foreslår vi en simpel ny løsning til Hubble konstant problemet. Vi foreslår, at hvis der har fundet en første ordens faseovergang sted i det tidlige univers, så kan det forklare forskellen mellem de to typer af målinger. Lige før faseovergangen finder sted, så vil universet have en lille smule mere mørk energi end i dag, som så forsvinder i selve faseovergangen. Dette kan forklare forskellen på den ekspansionsrate vi udleder fra observationer af det tidlige og det sene univers. Faseovergange er dramatiske begivenheder, der også vil lede til gravitationsbølger. Vi vil også beregne spektret af gravitationsbølger i universet, som teorien forudsiger, under antagelse af at det vil kunne bruges til eksperimentelt at verificere teorien.

Antistoffer spiller en central rolle i immunsystemet i kraft af deres genkendelse af antigener fra f.eks. sygdomsfremkaldende organismer og ved at binde til receptor proteiner på overfladen af celler i vores immun system og derved aktivere disse celler. Antistofferne består af to antigen bindende Fab fragmenter forbundet til et såkaldt Fc fragment, som genkender de cellulære receptorer. Projektet vil specifikt studere en bestemt type antistof kaldet IgE, som binder til allergifremkaldende antigener kaldet allergener. Velkendte eksempler på allergener er komponenter af pollen og husstøvmider. Svær allergi behandles klinisk ved at forhindre bindingen af IgE til to receptorer på vores celler. I kraft af projektet vil forskerne identificere nye muligheder for udvikling af nye lægemidler til behandling af sådanne svære allergiske reaktioner. Ved hjæp af strukturbiologi vil forskergruppen på Aarhus Universitet bestemme den atomare struktur af et kompleks mellem IgE og en af de cellulære receptorer, som aktiveres når der dannes antistof-allergen komplekser i vores væv.

Masseuddøen i den geologiske lagserie repræsenterer katastrofale biologiske ændringer, hvor op til 80% af alle arter mistes. Der er basalt set to konkurrerende hypoteser, der kan forklare en sådan voldsom påvirkning af globale økosystemer: nedslag af udenjordisk (extraterrestrisk) materiale og stor-skala vulkanisme. For at teste disse hypoteser vil vi undersøge platinumgruppe- grundstofferne (Ru, Rh, Pd, Os, Ir and Pt) i sedimentære bjergarter, der repræsenterer intervaller med masseuddøen, og samtidige vulkanske provinser. Grunden er, at forholdet mellem platingruppe- grundstoffer (f.eks. Pt/Ir) i sedimentære bjergarter kan bruges til at skelne mellem udenjordiske og vulkanske kilder. Vi vil også undersøge kviksølv- og nikkel-anomalier i de samme sedimentære bjergarter. Kombinationen af data for disse grundstoffer giver os mulighed for (i) at etablere en direkte korrelation med isotopdata og mikropaleontologisk data der afspejler ændringer i paleoklima af marine and jordiske økosystemer, og (ii) en metode til kritisk at vurdere opkoncentrationen af disse metaller i kulstofrige lag og sekundær mobilisering under diagenese af sedimenterne. Disse studier giver os mulighed for, med nye briller, at diskutere årsagssammenhængen for masseuddøen i den geologiske lagserie.

Social adfærd er udbredt i dyreriget, og sociale grupper er kendetegnet ved arbejdsdeling, hvor nogle individer står for reproduktionen, mens andre specialiserer sig i at passe afkommet eller indsamle mad. Evolution af social adfærd sker fra solitær adfærd, hvilket betyder at der sker et skifte fra at individet kan varetage alle opgaver i en solitær art, til at individer i en social gruppe udvikler adfærdsspecialisering. Det videnskabelige spørgsmål i dette projekt er, hvilke molekylære mekanismer der styrer dette skifte i adfærd (også kaldet fænotype). Hver fænotype forventes at være godt tilpasset, derfor skal der en væsentlig molekylær forandring til at forårsage springet fra én social adfærdstype til en anden. Der findes to hypoteser: 1) der kan ske ændringer i gener, der koder for proteiner, som derefter resulterer i en ny fænotype, eller 2) der kan ske ændringer i genekspression, for eksempel hvor mange kopier af et protein et gen udtrykker, der kan generere en ny fænotype. Jeg undersøger disse hypoteser i edderkopper, ved at sammenligne variation i DNA der koder for gener, og variation i genekspression imellem flere beslægtede arter, der har forskellig social fænotype. Resultaterne vil give ny viden og forståelse af hvordan nye fænotyper opstår.

I dette projekt skal narhvalens lange stødtand dokumentere miljømæssige forandringer i Grønland. Narhvalen er én af tre hvalarter, der lever året rundt i Arktis. Den har i venstre overkæbe en snoet stødtand som kan blive op til 3 m lang. Tanden bygges op af lag, hvor hvert lag repræsenterer ét år. Narhvaler kan nå en alder på 115 år og stødtanden gemmer således på en masse materiale om hvalens livshistorie og de miljømæssige forandringer hvalen har gennemlevet. Til brug for dette projekt er der indkøbt 20 stødtænder fra fangsten i Grønland. Ambitionen er at gennemføre grundstofanalyser af tænderne med X-ray fluorescens spektrometri. Disse scanninger kan registrere grundstofkoncentrationen i hvert lag gennem hvalens liv og dette kan bruges til at rekonstruere klimatiske begivenheder samt til undersøgelse af forurening i havet. Hypotesen er at de miljømæssige forandringer i Grønland, som er et resultat af klimaændringer, er lagret i narhvalernes tænder, som således fungerer som et unikt ’klimaarkiv' fra et dyr som livet igennem opholder sig midt i de områder der er allermest påvirket af klimaændringer. Ydermere kan hormonanalyser af tandlagene belyse hvalens reproduktive historie og isotopanalyser kan påvise ændringer i fødevalg. For tænder fra før 1960 kan C14 signalet fra atmosfæriske atomprøvesprængninger bestemmes og endelig skal to tænder undersøges for spor efter plutonium fra et B-52 bombefly, der styrtede ned nær Thule Air Base.