Villum Experiment: 71 mio. kr. til 39 skæve forskningsidéer

Tim Dyrby, DTU Compute, 2 mio. kr.

Vores hjerne har stor indflydelse på kroppens generelle funktion, og den styrer vores kognitive evner samt reaktioner på dagligdagens sensoriske input.  Nøglen til hjernens funktion er forståelsen af den fysiologiske signalering mellem forskellige funktionelle hjerneområder, der tilsammen udgør et komplekst hjernenetværk. En forbindelse i hjernens netværk består af et bundt nervefibre, der kan ses som elektriske kabler, men som kun er omkring få mikrometer i diameter. En fejl i hjernenetværket kan påvirke hjernens fysiologiske balance og medføre handicap, kognitive forstyrrelser, livsstilsygdomme osv. For at få indsigt i hjernens netværk, kan man i dag typisk kun måle en enkelt hjerneforbindelse adgangen. I dette VILLUM EXPERIMENT projekt vil vi udforske en nyopdaget laserbaseret billedkontrast. Den nye teknik har unikt potentiale til at afbillede alle hjerneforbindelser i en musehjerne i 3D - i mikrometer billedopløsning.

Nikolaj Sorgenfrei Blom, DTU Kemiteknik, 2 mio. kr.

Resistente bakterier, som f.eks. MRSA, er et voksende globalt problem. I snart et århundrede har vi haft stor succes med at hæmme skadelige bakterier med kemiske stoffer som penicillin. Men kan vi blive ved med at opfinde nye stoffer når bakterierne udvikler resistens igen og igen?

Kan vi også hæmme bakterierne med fysikkens hjælp?

Resonanseffekter kender vi fra operasangerens evne til at splintre krystalglasset med sin stemme og de marcherende soldaters fodtramp i takt hen over broen. Bølgekræfter der, når de står alene er for svage, men når der opstår resonans eller samklang, kan virke langt stærkere.

Projektet DireWaves (Afvæbning af resistente mikrober med resonansbølger) vil undersøge om svage, men samklingende elektromagnetiske bølger kan påvirke og måske blive et fremtidigt værktøj i kampen mod resistente bakterier.

Seunghwan Lee, DTU Mekanik, 2 mio. kr.

Ledproteser er under vedvarende belastning ved tryk og forskydning, hvilket forårsager uundgåeligt slid på implantatmaterialerne. Slidpartikler, der frigives i vævet, udløser ofte en kaskade af immunresponser, hvilket fører til fejl i implantaterne. Således udgør biokompatibilitet og slidstyrke to sider af samme problem for kunstige led-implantater. I projektet 'ArthroLube' forsøger vi at løse dette problem ved at indsprøjte vanding smøreopløsning ved proteserne, snarere end at udvikle nye implantatmaterialer. Denne tilgang har ikke været mulig indtil for nylig, hovedsageligt på grund af manglen på smøremidler, som er biokompatible. På grundlag af nylige studier, der viser effektiv smøring ved anvendelse af forskellige makromolekyler i vandigt miljø, vil projektet undersøge muligheden for at udvide denne tilgang til smørring af ledproteser og udvikling af injicerbar medicin.

Nikolaus Sonnenschein, DTU Biosustain, 2 mio. kr.

En række biotek-virksomheder er inspireret af Amazons webservices på det seneste begyndt at benytte digital infrastruktur til at lave life science-eksperimenter i skyen.

Dette åbner op for muligheden for, at life science-eksperimenter i fremtiden kan blive foretaget ved en computer på ens eget kontor og endda uden de dyre omkostninger, der hidtil har været forbundet med køb af IT-udstyr og serverplads.

Visionen er at få en større mængde eksperimentel data til rådighed og frigøre mere af den enkelte forskers tid. Tid, der ellers bliver brugt på tidskrævende og manuelle opgaver som eksempelvis pipettering. Samtidig er håbet, at virtuel bioteknologi kan være med til at løse krisen med reproducerbarhed, som opleves inden for life science i øjeblikket. 

Igennem en serie af udforskende eksperimenter vil vi forsøge at finde ud af, hvilke løsninger som arbejdet med infrastruktur i skyen kan løse inden for bioteknologi allerede nu, men også danne os et overblik over, hvilke hindringer, som det bliver nødvendigt at overkomme i fremtiden.

Kent Kammer Hansen, DTU Energi, 1,5 mio. kr.

En radikalt anderledes teknologi til reduktion af dieseludstødningsgasser er elektrokemisk reduktion af NOx baseret på en oxid-ionleder. Her anvendes elektrisk energi direkte til at reducere NOx ved katoden, hvilket eliminerer behovet for et reduktionsmiddel. For at gøre elektrokemisk reduktion af NOx bæredygtigt, skal strømforbruget sænkes, og aktiviteten ved lav temperatur skal øges. I dette projekt foreslås en ny type elektrodemateriale for at opfylde de teknologiske krav. Elektroden har tre funktionaliteter; Den indeholder en elektronisk ledende fase, Et materiale, der kan optage store mængder NOx som BaO og exsoluted sølv (sølv udtaget fra hovedfasen som små partikler på overfladen af elektroden) som en oxidationskatalysator. Denne nye type elektrode antages 

Roar R. Søndergaard, DTU Energi, 2 mio. kr.

Normalt kan man ikke styre den rumlige placering af komponenter i en opløsning. Vi kan f.eks. ikke få alt frugtkødet i appelsinjuicen til at lægge sig nederst i venstre hjørne af et glas juice, og blander vi både appelsin- og grapejuice kan vi slet ikke sortere så kødet fra appelsinen ligger sig til venstre og det fra grapen til højre.

Dette projekt handler om at bruge lyd og lys til at fange, sortere og opkoncentrere blandinger af forskellige komponenter i en opløsning, for derefter at låse dem fast i en 3D polymerstruktur ved selektivt at inducere polymerisering vha. af lys. Ved at flytte rundt på de sorterede komponenter kan forskellige egenskaber implementeres i 3D-strukturen, som derved opnår funktionaliteter på miniature niveau. Virkeliggørelsen af at kunne sortere og dirigere materialer i opløsning ville åbne nye muligheder inden for områder som metamaterialer, mikroelektronik, integreret optik, og for mere futuristiske ideer som sløringsapperater og fjernstyrede mikrorobotter til in vivo kirurgi.

Haitham El-Ella, DTU Fysik, 1,9 mio. kr.

Interessante og overraskende fænomener opstår, når vi zoomer ind på verdens allermindste bestanddele. På dette niveau hersker kvantemekanik med fysiske love, der ikke følger den logik, vi kender fra den makroskopiske skala.

Forskerne har i mange år undersøgt grænsefladen mellem kvantemekanik og klassisk mekanik, bl.a. i såkaldte Bose-Einstein kondensater, hvor partikler opfører sig kvantemekanisk på makroskopisk skala. Det mest kendte eksempel er en atomar gas-sky, der nedkøles til en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt.

Dette eksperiment vil forsøge at skabe en ny slags Bose-Einstein kondensat ved hjælp af elektron-spin i specialfremstillede diamanter. Risikomomentet ved eksperiment er vanskeligheden i at fremstille de ønskede diamanter med helt særlige egenskaber, da der bl.a. skal introduceres lag, hvor alle C-atomer erstattes af N-atomer, samtidig med at der indbygges passende resonatorer i krystallen, som kan kontrollere alle N-atomernes spin.

Hvis projektet lykkes, kan man vise helt nye egenskaber for et faststof Bose-Einstein kondensat og øge indsigten i grænsefladen mellem kvantemekanik og klassisk fysik. Selv ved delvis succes forventes eksperimentet at frembringes nyttige resultater i jagten på at udvikle kvante-teknologi.

Xiaolong Zhu, DTU Nanotech, 1,7 mio. kr.

Formålet med dette projekt er at flytte grænsen markant for, hvor lokalt og afgrænset man kan opvarme en del af et materiale. Opvarmning med laser kan ikke gøres mere præcist end et område på nogle hundrede nanometer i diameter, hvilket er et stort område, når man arbejder med fx nanomaterialer og molekyler. Det gør det vanskeligt at kontrollere lokale effekter, som man ellers ville kunne udnytte inden for ny teknologi.

I projektet vil man forsøge at kombinere avanceret plasmon-teknologi og scanning probe mikroskopi, hvilket kan gøre det muligt at opvarme materialer med en ekstrem opløsning på atomart niveau. Hvis eksperimentet lykkes, er der udviklet et banebrydende værktøj med bred anvendelse inden for blandt andet katalyse, syntese, nanoteknologi og bioteknologi.

Hugh Simons, DTU Fysik, 1,6 mio. kr.

Teknikken røntgentomografi åbner muligheder for at studere mikroskopiske detaljer dybt inde i prøver, hvilket kan være højteknologiske materialer, mineraler, og levende organismer, med størrelse helt ned til tykkelsen af et menneskehår. Men hvis vi vil se på endnu mindre detaljer end hvad der er muligt med røntgentomografi skal man bruge destruktive metoder, enten ved at skære prøven i meget små stykker, eller ved at skanne prøven med en meget intens fokuseret røntgenstråle.

Dette projekt forsøger at udvikle en ny type mikroskopi, der ikke er destruktiv. I stedet for at fokusere røntgenstrålerne på prøven bliver de først fokuseret efter at have passeret gennem prøven, hvilket undgår skader fra så intens stråling. Hvis projektet lykkedes vil dette mikroskop kunne lave 3D film af processer på nanoskala dybt inden i prøver tusind gange mere detaljeret end røntgentomografi, alt imens prøven ikke bliver beskadiget.

Kaare Hartvig Jensen, DTU Fysik, 2 mio. kr.

Hvert år bruges store mænger sukker til fremstilling af biobrændsel som fx bioethanol. Det foregår ved forgæring af sukker, på samme måde som når man laver øl eller vin. Ofte bruges sukker fra planter så som majs eller sukkerrør. Det er et godt alternativ til fossile brændstoffer, men gør fødevarer dyrere og optager store landområder.

Hypotesen i dette eksperiment er, at sukker kan tappes direkte fra levende celler i planter. Det betyder, at man måske ikke behøver at høste, transportere og forarbejde afgrøder for at lave bioethanol. I stedet man man tappe saft fra store uudnyttede  skoven på den nordlige halvkugle der ikke kan bruges til almindelig landbrug.

Ved at bruge nåle inspireret af insektsnabler, der suger saft fra planter, vil vi forsøge at udvinde sukker direkte fra levende celler. Det kan give adgang til en helt ny kilde til bæredygtig energi.

Marcus Thomas Gilbert, Statens Naturhistoriske Museum, 2 mio. kr.

Er ændringer i vilde dyrs tarmflora er en mere plausibel forklaring på de første domesticeringstrin end konventionelle forklaringer, der peger på generne som afgørende? Vi vil undersøge vildkatte og tamme kattes tarmflora for at finde ud af om der er væsentlige forskelligheder og derefter teste for adfærdsændringer ved at manipulere tarmfloraen for katte født i forskningskolonier. Hvis hypotesen holder, har eksperimentet potentialet til at åbne op for en helt ny forståelse af domesticeringsprocessen, der vil få os til at genoverveje omfanget af tarmfloraens indvirken på dyreadfærd – herunder vores egen sociale adfærd.

Jozef Mravec, Institut for Plante- og Miljøvidenskab, 2 mio. kr.

Cellevæggens arkitektur: Er planterne formet af en skjult cellevægs-lokaliseret vej?

Dette eksperiment sætter spørgsmålstegn ved den gængse teori for auxins rolle i planter. Auxin er et plantehormon, der spiller en afgørende rolle for vækstprocesser og udviklingen af plantens form, fx rodsætning og bevægelse mod lys. Auxin regulerer indviklede signalveje, der aktiverer gener i plantecellens kerne. Men forskerne bag dette projekt har foreløbige resultater, der kunne tyde på, at auxin også spiller en rolle direkte i cellevæggen, hvor hormonet hurtigt kan ændre cellevæggens arkitektur. En sådan teori er kontroversiel, men hvis den holder stik, kan den revolutionere vores viden om, hvordan planter kontrollerer deres vækst.

Nadja Møbjerg Jørgensen, Biologisk Institut, 1,9 mio. kr.

Kan en håndfuld af gener være ansvarlige for de ekstremt stresstolerante evner, der ses hos visse dyr, og i så fald kan tilpasninger, såsom fryse- og udtørringstolerance overføres til andre organismer? Formålet med dette Villum Eksperiment er at anvende en ny genmodificeringsmetode (CRISPR-Cas) på bjørnedyr og editere de gener, der formodes at være involveret i bjørnedyrenes unikke tilpasninger. Den opnåede viden fra eksperimentet vil potentielt kunne benyttes i forbindelse med en overførelse af tilpasninger til andre organismer f.eks. i form af øget tolerance mod frysning og udtørring. Eksperimentet har dog også en risiko for at fejle, da CRISPR-Cas-teknologien er i et tidligt udviklingsstadie, og den har ikke tidligere været anvendt på bjørnedyr. Det er herudover muligt, at bjørnedyrenes tilpasninger er mere komplicerede end her antaget og således beror på mere end blot en håndfuld gener.

Sophia Häfner, Biotech Research & Innovation Centre, 1,7 mio. kr.

Formålet med dette projekt er at undersøge specifikke ribosom-modifikationers betydning for translationsprocessen.

Ribosomet er cellens proteinfabrik og består af 4 ribosomale RNA molekyler, samt omkring 80 proteiner. Til trods for ribosomets helt centrale betydning for afkodningen af vores genetiske information er der store huller i vores viden om, hvordan ribosomet bliver modificeret til at varetage translation af specifikke mRNAer. Mine præliminære data viser, at den ribosomale RNA bliver påsat nogle kemiske modifikationer og min hypotese er, at disse modifikationer er regulatoriske og betydende for, hvilke proteiner der fremstilles.

I dette projekt anvendes som modelsystem humane embryonale stamceller, der differentieres imod alle 3 embryonale kimbanelag. Jeg har gennemført mapning af ribosom-modifikationerne i 3 pluripotente stamcellelinjer, samt i differentierede repræsentanter for endoderm, ectoderm og mesoderm for alle 3 cellelinjer. Resultaterne viser meget overbevisende, at ribosomets modifikationsmønster ændres dynamisk og reproducibelt afhængig af differentieringsvejen. Dette er i sig selv et banebrydende resultat og indikerer at der findes en ”ribosom-kode”, som styrer ribosomets struktur.

Jeg ønsker nu at gennemføre genetiske studier, hvor jeg manipulerer med ribosomets modifikationsmønster for på den måde at påvise en årsagssammenhæng mellem modifikationerne og ribosomets translationsmønster.

Hvis hypotesen om en ribosom-kode er korrekt vil dette give en banebrydende ny indsigt i cellers translation. Det vil endvidere muliggøre optimering af ribosomet for specifikke formål, så som sygdomsbekæmpelse eller produktion af biologics.

Peter Ditlevsen, Niels Bohr Institutet, 1,6 mio. kr.

Når vi ser på fortidens naturhistorie har klimaet og økologien været præget af meget pludselige forandringer, hvor små påvirkninger kan føre til store ændringer, som en balance der tipper. Det kaldes et tipping point. Vores modeller af verden viser derimod en verden i ligevægt, hvor små påvirkninger giver små ændringer. Det er at sammenligne med vores samfund, hvor udbud og efterspørgsel holder økonomien i balance. Tror vi. Pludselig opstår en lille ubalance og verdensøkonomien føres ud i en dyb finansiel krise, som ingen forudså. Vi oplever nu klimaforandringer som følge af den menneskeskabte drivhuseffekt. Vores klimamodeller fortæller os at den øgede koncentration af CO2  i atmosfæren fører til en tilsvarende øget temperature, men tidligere tiders klimaskift viser at klimasystemet kan komme til et tipping point, hvor balancen pludselig vælter. For at forstå og forhåbentlig blive bedre til at forudsige disse hurtige skift vil vi eksperimentere med at drive vores klimamodel så meget i ubalance, at den reproducerer fortidens abrupte klimaskift. Hvis ikke modellen er i stand til at gøre det, må vi søge efter de fysiske sammenhænge i den virkelige verden, som modellen mangler at beskrive.

Jørgen Olesen, Statens Naturhistoriske Museum, 2 mio. kr.

Eksisterer der virkeligt marine larver hvor de voksne dyr endnu i dag er fuldstændigt ukendte? Der er tale om krebsdyrlarver, som første gang blev fundet for mere end 100 år siden, og som siden er beskrevet fra alle verdenshave, nogle gange i forbløffende stort antal.

Målet med dette Villum Eksperiment projekt er at adressere denne 100 år gamle gåde i marin zoologi med en vifte af moderne teknikker såsom (1) sammenlignende ’transcriptomics’, hvor der vil blive søgt efter gener for parasitisme, (2) ’ next generation sequencing’ af mulige værtsdyr for at søge efter y-larve DNA inden i disse, og (3) metamorfose-studier hvor larveudviklingen ved anvendelse af hudskifte-hormon vil blive forsøgt bragt længere end det hidtil er lykkedes.

Som en del af arbejdet vil vi dokumentere og beskrive den meget store diversitet af y-larver (muligvis >40 former) over koralrev i havene omkring Japan og Taiwan. Ved anvendelse af ovennævnte teknikker vurderer vi at chancerne for at finde den voksne y-dyr er gode. Men skulle det slå fejl, vil dokumentation af den store y-larve diversitet i de mindste have tilvejebragt et betydeligt bedre grundlag for fremtidige studier.

Enrico Cappellini, Statens Naturhistoriske Museum, 2 mio. kr.

I studiet af vores egen arts evolution overses slægtskabet til uddøde hominider såsom Homo erectus og australopithecinere. Dette skyldes at disse enten uddøde for så længe siden og/eller boede i områder så varme, at deres DNA, så vidt vi ved, er fuldt ud og irreversibelt, nedbrudt. Jeg foreslår at overvinde denne manglende viden ved at bruge proteomics til: (i) at sekventere proteiner ekstraheret fra fossile knogler og tænder og (ii) at finde evolutionære ændringer i aminosyresekvenser for at rekonstruere vores slægts evolutionshistorie. ’Deep-time paleoproteomics’ vil muliggøre: (a) hidtil uset adgang til genetiske beviser fra epoker der indtil nu almindeligvis har været betragtet som umulige at få adgang til ved biomolekylær undersøgelse og (b) molekylærbaseret undersøgelse af store evolutionære processer der hidtil har umulige at afklare for molekylær fylogenetik.

Tue Hassenkam, Kemisk Institut, 1,7 mio. kr.

Vi har adgang til meget små rester af liv, som er blevet fanget inde i 3,7 milliarder år gamle krystaller. Vi vil gerne undersøge disse rester med en helt ny teknik, og udvikle en metode til formålet. Denne metode gør det muligt for os at analysere disse rester, som størrelsesmæssigt svarer til en encellet organisme, mens de stadig sidder inde i krystallen. Metoden er aldrig blevet anvendt på denne type prøver før, og vi kan derfor potentielt definere et helt nyt sæt af beviser for liv. Vi kan måske også bestemme den komposition af elementer, som livet bestod af dengang. Fordelingen af elementer kan afsløre hvilket stadie livet befandt sig i. Man mener for eksempel, at et af de tidligste stadier af livet var baseret på RNA og ikke DNA. Vi vil gerne anvende denne metode på andre prøver, som kan fortælle noget om livets udvikling. Det er lige fra meteorer, som menes at have tilført Jorden livets byggeklodser, til prøver fra Mars, som kan indeholde rester af nu uddødt liv.

Alexandra Munoz, Institut for Matematiske Fag, 2 mio. kr.

Dette Villum Eksperiment udfordrer molekylærbiologiens centrale dogme - et paradigme, der prioriterer gen-protein-interaktioner og de biomolekyler, der udfører dem. Er der aspekter af systemet, der ikke beskrives af en sådan karakterisering? Under den ekstreme genomiske ustabilitet knyttet til kræftformer ændres genomet ved hver celledeling, og har for eskempel mange ekstra kromosomer, og alligevel udviser den funktionel og morfologisk stabilitet. Hvordan er det muligt i et system, der genereres af landskaber af gen-protein-interaktioner?

Gennem eksperimentering og teori udvikles en ny model af cellesystemet. Modellen vil abstrahere cellulær funktion for at nå frem til beskrivelser af specifikke proteiner og gener i mere generelle termer, således at regioner med ækvivalent biologisk aktivitet kan beskrives ved hjælp af områder af matematik som topologi og kategoriteori. Dette projekt har potentialet til at omdefinere beskrivelsen af cellen og give en bredere forståelse af cellulær ligevægt.

Jesper Lund Pedersen, Institut for Matematiske Fag, 1,8 mio. kr.

Problemer omkring hurtigst detektion opstår ved ønsket om at opdage ændringer i observerede signal med støj så hurtigt som muligt efter de opstår i realtid. Et eksempel kan være en ubåd, der pludselig tænder sine motorer, og et sonarsystem der skal detektere ubådens signaler/lyde i havets baggrundstøj. Hvis sonaren er forhastet, er der stor risiko for falsk detektion af en ubåd. Hvis sonaren på den anden side er for forsigtig, er der væsentlig forsinkelse for korrekt detektion af ubåden. I begge tilfælde er der tab og problemet er at finde en afvejning (objektivt kriterium) mellem de to modstridende præstationsmål. Dette projekt vil åbne en ny måde ikke-lineær metode til at anskue afvejningen. Hvis projektet lykkes kan det føre til meget hurtigere og mere effektive algoritmer for hurtigste detektion.

Kell Mortensen, Niels Bohr Institutet, 2 mio. kr.

Mange ”bløde materialer” har en krystallinsk struktur svarende til klassiske materialer, hvor den grundlæggende struktur kan beskrives i relativt simple geometriske termer. Men medens de makroskopiske egenskaber af klassiske materialer i stor grad kan forstås på basis af denne krystallinske symmetri, er dette ikke tilfældet for bløde materialer. Bløde materialer består typisk af domæner af forskelligt materiale som er viklet komplekst ind imellem hinanden. Selvom dette kompleks af domæner har en tilsyneladende simpel geometri, spiller den absolutte form en subtil rolle og er afgørende for de mest interessante egenskaber. Mens krystallografiske metoder er udviklet til effektivt at beskrive og klassificere symmetrien af krystallinske materialer, mangler vi en analog metode til beskrivelse af domænernes form, såkaldt topologi. Baseret på moderne ”computertopologi” foreslår vi at udvikle metoder til at forudse og karakterisere materialer effektivt med hensyn til topologi, og vi opstiller hypotesen at det baseret på sådan teori vil være muligt i evalueringen af eksperimentelle spredningsdata at give direkte indsigt i både materialesymmetri og -topologi.

Simon Dusséaux, Institut for Plante- og Miljøvidenskab, 1,7 mio. kr.

Sollys, en ubegrænset kilde til energi, kan sammen med CO2 bruges af fotosyntetiske organismer til at producere nyttige kemiske forbindelser på en miljøvenlig og bæredygtig måde. Produktiviteten i sådanne systemer har dog hidtil været meget lav. VILLUM Eksperimentet vil angribe dette langvarige problem på en helt måde ved at udvikle et syntetisk miljø bestående at flere forskellige arter at mikrober. 

Mikrobielle samfund sammensat af autotrofe (producerende) og heterotrofe (forbrugende) organismer er almindelige i naturen, og viser at de enkelte organismers begrænsninger kan overvindes gennem samarbejde mellem arter. En unik beholder/reaktor vil blive designet og brugt til at udføre adaptiv evolution simultant på både de autotrofe og heterotrofe arter for derved at bygge et stærkt gensidigt forhold mellem dem.

Som følge heraf vil det kunne være muligt at udvikle et kraftigt modulært co-kultur system til effektiv lys-dreven produktion af en bred vifte af kemikalier. Den foreslåede metodes usikre natur gør projektet til et high-risk/high-gain projekt der kan ligge fundamentet for udviklingen af en hel ny generation af biologiske produktionsteknologier.

Thorbjørn Joest Andersen, Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning, 1,3 mio. kr.

Mikroplastik er vidt udbredt i havmiljøet, men partiklernes fysiske adfærd og interaktion med andre biologiske og ikke-biologiske suspenderede partikler er stort set ukendt. En detaljeret undersøgelse af denne interaktion og dens virkning på spredningen og aflejringen af partiklerne vil være et vigtigt skridt i vores forståelse af spredningen af mikroplastik i havmiljøet. Mikroplastik viser typisk neutral eller positiv opdrift i vand, og projektets arbejdshypotese er derfor, at sedimenteringen er stærkt afhængig af aggregeringen i større aggregater sammensat af forskellige kombinationer af sedimenter, plast, alger, bakterier og måske også andre stoffer. Denne mulige interaktion vil blive undersøgt ved hjælp af et nyligt udviklet partikelkamera. Vi håber at kunne verificere resultaterne af vores eksperimenter ved at spore den historiske deponering af mikroplastik i danske farvande via daterede sedimentkerner.

Dimitrios Stamou, Kemisk Institut, 2 mio. kr.

Transportere udgør en forskelligartet familie af proteiner, der arbejder som cellens ”dørmænd”. Transporterne er således i stand til at skelne imellem specifikke molekyler (f.eks. næringsstoffer fra giftstoffer) og flytte dem ind-og ud af cellen, hvilket er helt uundværligt for at opretholde livet. Indtil for ganske nyligt har man troet at transportere arbejder døgnet rundt. Vi har dog udviklet en ny metode, der gør os i stand til at undersøge transporternes arbejde ét molekyle ad gangen, hvilket helt overraskende afslørede at transporterne tværtimod holder korte- og lange pauser fra deres arbejde. Denne opdagelse viste sig at have afgørende betydning, fordi vi for første gang blev i stand til at skelne imellem betingelser (f.eks. forskellige lægemidler), som enten påvirker transporternes effektivitet eller deres arbejdsskema. Vi vil nu anvende vores nyudviklede teknologi til at studere dét molekyle, som anvender ~70% af hjernens ATP, nemlig Na+/K+ ATPasen. Dette studie vil sandsynligvis have vidtrækkende konsekvenser for forståelsen af biologien samt udviklingen af nye lægemidler.

Leila Lo Leggio, Kemisk Institut, 2 mio. kr.

Proteiner er ‘arbejdshestene’ i alle levende celler: de fordøjer mad, transporterer ilt og lader vores muskler bevæge sig. Kendskab til den tredimensionelle struktur af proteiner på atomart niveau er en væsentlig forudsætning for en moderne forståelse af, hvordan livet virker, for at helbrede sygdomme og for bæredygtige industrielle processer. Røntgenkrystallografi er den mest anvendte teknik til bestemmelse af proteinstrukturer, men det kræver, at der kan dannes krystaller med en høj grad af regelmæssig ordning af proteinerne. Krystalliseringen er en flaskehals, som for hvert enkelt protein kan tage måneder, år eller endda vise sig at være umulig. Formålet med projektet er at overkomme behovet for krystaller af proteinet, ved i stedet at skabe et universelt værtskrystalsystem, hvori store peptider og små til mellemstore proteiner kan inkorporeres som gæster. Dette ville være et stort gennembrud på området. Vi vil forsøge at bevise, at dette kan fungere i princippet ved hjælp af beregningsmæssige og eksperimentelle tilgange.

Jan W. Thomsen, Niels Bohr Institutet, 1,7 mio. kr.

Atomure udgør de mest præcise instrumenter i naturvidenskaben og kan bestemme tiden med 17 decimaler. Den traditionelle måde atomure udformes på er ved at fastlåse frekvensen af en ultra-stabil laser til en kvantemekanisk reference, dvs. en elektronisk overgang mellem to meget veldefineret energiniveauer i et atom. Det De bedste atomure har en relativ stabilitet og præcision på 10e-18 svarende til at uret taber mindre end et sekund på størrelsesorden af universets levetid. Disse ure er imidlertid begrænset af frekvensstøj på den laser kilder, der benyttes i uret. Laserstøjen er relateret til den endelig temperatur atomurene befinder sig i og lader sig kun løse ved køle hele eksperiment ned til det absolutte nulpunkt, hvilket er urealistisk. For at løse denne udfordring har vi ved Niels Bohr Institutet udviklet en alternativ metode, hvor atomer placeres in en optisk kavitet. Herved mindskes temperatur effekter væsentligt og kollektive kvantemekaniske koblinger mellem atomerne træder i karakter. Dette giver sig udslag i forøget præcision og stabilitet, hvor der sigtes på en relativ usikkerhed i området 10e-19. Her åbner der sig en række anvendelser af såvel videnskabelig som teknologisk karakter. Det drejer sig f.eks. om muligheden for at undersøge om vores naturkonstanter driver i tiden, eller udmåling af Jordens tyngdefelt, bestemmelse af undergrundens sammensætning eller kortlægning af lokale masse ændringer. 

Anand Ramesh Sanadi, Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning, 1,6 mio. kr.

Mange komposit-materialer bestående af træfibre (fx krydsfiner og fiberplader) som bruges i blandt andet bygge-, møbel- og designindustrien indeholder giftigt formaldehyd, der fungerer som lim. Dette projekt vil forsøge at udvikle en ny type af bæredygtige materialer ved at erstatte formaldehyd (og lignende sammensatte polymere) med ikke-giftige lineære polymere. En sådan erstatning er langtfra enkel og kræver en god forståelse og kontrol af lineære polymere, samtidig med at der skal bruges nye metoder og teknikker til at kombinere polymererne med træfibre. De første spæde forsøg tyder på, at det er muligt at udvikle sådanne nye materialer, men det er dog nødvendigt med langt flere undersøgelser før hypotesen kan bekræftes.

Morten Andersen, Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi, 1,7 mio. kr.

Projektet har til formål at dyrke og studere de organismer der lever i sten, kaldet endolither, ved at efterligne deres naturlige miljøer med 3D printede uorganiske materialer. Disse livsformer er yderst interessante, de har afgørende betydning for nedbrydning af sten og dannelse af jord, man mener at de repræsenterer det tidligste liv på jorden og måske andre planeter og endeligt indeholder de potentielt en guld grube af nye biologiske stoffer. Desværre ved man ikke meget om disse organismer da de naturligvis er svære at studere. Vores nye idé er at tage teknikker fra regenerative medicin hvor man laver keramiske knogle implantater og studerer knogle celler i disse og så anvende disse teknikker til at lave endolith habitater og studere mikroorganismerne i disse. Derved håber vi at gøre det muligt at dyrke disse organismer og studere og evt. udnytte deres biologiske egenskaber.

Poul Nielsen, Institut for Fysik, Kemi og Farmaci, 1,8 mio. kr.

Et af målene inden for nanoteknologien er at udvikle maskiner i nanoskala, der bl.a. kan bruges til både at spore og kurere sygdomme uden behov for kirurgi. For at realisere denne vision, er udviklingen af en molekylær motor et afgørende skridt. Motoren kan med en cirkulær mekanisk bevægelse fungere som en molekylær propel, der kan fjernstyres.

DNA er det molekyle, der lagrer genetisk information i alle levede organismer, men det er også et fremragende materiale til nanoteknologi. Det er programmerbart, let at syntetisere og samler sig selv i veldefinerede strukturer, og det er ugiftigt. Som et helt nyt koncept foreslår vi, at en molekylær motor kan bygges af DNA og drives med kemiske reaktioner, lys eller andre stimuli. Det er vores vision, at denne tilgang kan løfte begrebet molekylære maskiner fra at være et banebrydende men smalt kemisk koncept med begrænset anvendelse ind i en fremtid, hvor nanomaskiner rent faktisk kan realiseres til medicinsk anvendelse.

Jonas Sandby Lissau, Mads Clausen Instituttet, 1,8 mio. kr.

Projektet behandler den grundlæggende begrænsning af solcelleeffektiviteten ved at udforske en metode til udnyttelse af en stor del af de lavenergi sollysfotoner der transmitteres og tabes i traditionelle solcelledesign. Muligheden for at gennemføre plasmaforstærket molekylær opkonvertering af sollys inde i en organisk solcelle vil blive undersøgt. Vi sigter mod at omdefinere den teoretiske maksimale effektivitet af organiske solceller (OPV) ved frekvensopkonvertering og efterfølgende optagelse af fotoner med energier under OPV-absorptionsgrænsen. Metoden anvender kvanteegenskaberne af de lysabsorberende molekyler ved omdannelse af to lavenergifotoner til en enkelt højenergifoton. Denne nye tilgang vil kunne øge effektiviteten af OPV betydeligt, hvilket kan give denne billige letvægtsteknologi en vigtig rolle i overgangen til vedvarende energikilder.

Toke Thomas Høye, Institut for Bioscience, 2 mio. kr.

Forståelse af arters og økosystemers respons på miljøændringer udgør en central udfordring i fagfeltet økologi. Insekter udgør omtrent 80% af alle kendte arter og spiller en afgørende rolle i verdens økosystemer. Desværre er vores mulighed for at studere insekter i deres naturlige miljø begrænset af ineffektive observationsmetoder. I dette projekt vil vi udforske muligheden for at detektere og bestemme insekter og andre smådyr ved hjælp af computer vision og machine learning. Vi vil udvikle og teste metoder til automatisk genkendelse af biller, fluer, bier og edderkopper fra billeder taget i laboratoriet såvel som i arternes naturlige miljø. Metoderne har potentiale til at transformere forskning i denne økonomisk og økologisk vigtige gruppe organismer og vil føre til mere præcise vurderinger af biologisk respons på globale miljøændringer.

Kasper Urup Kjeldsen, Institut for Bioscience, 2 mio. kr.

Med dette projekt vil vi udforske den eukaryote celles opståen ved at analysere den cellulære ultrastruktur af dens nulevende prokaryote stamformer. Vores arbejde er fokuseret på en gruppe arkæer, som for nyligt blev opdaget i havbunden, og som udgør eukaryoters nærmeste nulevende prokaryote slægtninge. Disse arkæer kendes kun udfra deres arvemateriale, som er blevet rekonstrueret fra store sekvensbiblioteker af DNA isoleret fra havbundskerner. Arvematerialet indikerer at arkæernes celler besidder et cytoskelet samt intracellulære membransystemer, hvilket ellers kun kendes fra eukaryoter. Dette vi vil søge at bekræfte ved at identificere og isolere arkæernes celler fra havbundskerner og kortlægge deres ultrastruktur med elektronmikroskopi. Skulle det vise sig at være tilfældet, vil arkæerne repræsentere et ”missing link” i den eukaryote celles tidlige evolutionshistorie, hvilket ændrer dramatisk på dels vores definition af prokaryoter, dels vores forståelse af den eukaryote celles opståen.

Richard Balog, Institut for Fysik og Astronomi, 1.8 mio. kr.

I projektet vil jeg deponere små kugleformede, metalliske nanopartikler på en overflade og positionere disse med atomar præcision, for at skabe foruddefinerede overfladestrukturer. Dette vil jeg gøre ved at bruge den ekstremt skarpe nål på et skanning tunnel mikroskop som ”nanofinger”. Disse ordnede strukturer af nanopartikler vil virke som nanospejle, og vil dermed kunne fokusere lys  i bittesmå regioner afgrænset af nanopartiklerne. Fokusering af lys på nanoskala er meget eftertragtet for udviklingen af fremtidens elektronike komponenter, der kan omdanne lys til elektroniske signaler og omvendt. Sådanne komponenter inkluderer nanolasere, on-chip én-fotonlyskilder osv. 

Henrik Birkedal, Institut for Kemi, 2 mio. kr.

Forestil dig, at du kan ændre farven af objekter som du lyster; formålet med dette eksperiment er at gøre dette muligt. For at nå målet, vil vi lade os inspirere af huden af visse dyr, såsom blæksprutter og tanglopper, der kan ændre deres farve ved at tune materialer i deres hud på en smart måde. Vi vil lave bioinspirerede adapterbare fotoniske materialer på en helt ny måde ved at indbygge de principper, de biologiske organismer bruger, i vores syntetiske materialer. Disse principper er kun lige blevet opdaget og er meget ukonventionelle idet de baseres på ændringer i vand-balancen omkring de fotoniske materialer i dyret. Hvis projektet lykkedes, vil det åbne døren til nye veje hvorpå adapterbare optiske materialer kan designes. Disse vil kunne bruges i ’bløde’ materiale systemer såsom bl.a. nye sensormaterialer til biomedicinske anvendelser.

Lars Henrik Andersen, Institut for Fysik og Astronomi, 1.5 mio. kr.

Mange processer i naturens drives af lyskvanter, der absorberes i store biologiske komplekser. Et velkendt eksempel er synsprocessen i nethinden, som starter med absorption af et lyskvant i molekylet retinal, der er en del af Opsin proteinet. Det samme retinalmolekyle ’tunes’ af proteinstrukturen til at absorbere lys med forskellige farver, hvilket danner grundlag for farvesyn. Synsprocessen har andre interessante aspekter. Den er yderst effektiv, forstået på den måde at lyskvantet kunne forårsage mange andre processer, som øjet ikke ville registrere som lys. Den hører også til de allerhurtigste processer som kendes i naturens. I dette Villum eksperiment sættes der fokus på de kvantemekaniske processer, som opererer i retinal. Vi ønsker at svare på, hvorvidt de tilsyneladende optimerede forhold i opsinerne kan tilskrives kvantemekanik, der er operativ i retinal.

Mads Sloth Vinding, Institut for Klinisk Medicin, 2 mio. kr.

Ny dybdegående hypertermimetode: kan vi behandle dybtliggende tumorer med magnetisk resonans (MR)?

Kræftforskning har vist, at resultaterne af stråle- og kemoterapi kan forbedres ved kombination med varmebehandling. Dybtliggende hjernetumorer, der ofte er forbundet med triste udsigter, kan være svære at varmebehandle med traditionelle metoder.

Skanningsteknikken magnetisk resonans (MR) kan danne anatomiske og funktionelle billeder til diagnoser, planlægning af behandling, opfølgende monitorering, og er anvendt i mange forskningsstudier. De seneste teknologiske landvindinger inden for MR søger at forbedre billederne med dybere kontrast, og øget følsomhed for fine detaljer.

I dette VILLUM Eksperiment undersøges om de nye MR teknikkers bivirkning, nemlig øget behov for dæmpning af varmeafsætning, kan omvendes til en terapeutisk virkning dvs. kontrolleret og fokuseret varmebehandling.

Hvis MR skanneren kan medvirke terapeutisk, kan denne kræftbehandlingsform potentielt blive mere præcis.

Witold Kot, Institut for Miljøvidenskab, 2 mio. kr.

DNA fungerer som informationskode i alle levende organismer på vores planet. Selv om den genetiske kode kun har fire bogstaver eller baser (A, T, C og G), kan disse 4 bogstaver oversættes til al den storslåede biodiversitet omkring os. Men er det kun 4 bogstaver som lærebøgerne fastslår? Noget tyder på, at vi overser nogle af de vigtigste oplysninger med vores standardmetoder til at undersøge DNA. Dette projekt ønsker at udforske queuosins (Q) og tilsvarende basers som alternative bogstaver i DNA hos en ny gruppe vira, der angriber bakterier. Nøglespørgsmålene i dette projekt er (i) Hvilke bogstaver erstatter Q i DNA, (ii) hvad er den nøjagtige mekanisme for Qs dannelse i værtscellen, og (iii) hvordan gør denne gruppe af vira det? Dette eksperiment kan føre til vigtige opdagelser vedrørende brug af alternative baser, og hvordan det påvirker selve kerneprocesserne i biologi generelt.

Yonghui Zeng, Institut for Miljøvidenskab, 2 mio. kr.

Den tidlige evolution af fotosyntese forbliver en eviglang gåde. Blandt de tre domæner i biologisk systematik (Bakterier, Arkæer, Eukaryoter) er det veldokumenteret, at fotosyntese først udviklede sig i Bakterier for milliarder af år siden og senere spredte sig til Eukaryoter, mens alle typer af Arkæer menes at mangle fotosyntetiske evner uden nogen rimelig eller sandsynlig forklaring. Vi ønsker her at udfordre denne opfattelse ved at foreslå, at fotosyntese i stedet først udvikledes i mere primitiv Arkæa, og at sådanne fotosyntetiske Arkæelle celler derfor stadig bevares i økosystemer af moderne Kryosfære, der således stadig afventer videnskabelig udforskning. I projektet vil prøver indsamlet i det nordøstlige Grønland, blive DNA sekvenseret i jagten efter spor fra fotosyntese i Arkæer.

Leendert Vergeynst, Institut for Bioscience, 1.8 mio. kr.

Kan mikroorganismer reducere effekten af oliespild i Arktiske miljøer? Den stigende interesse for skibstransport og offshore olieudvinding i Arktis øger risikoen for olieudslip til havs. Naturligt forekommende olienedbrydende bakterier har spillet en stor rolle i fjernelsen af olieforbindelser ved olieudslip såsom Exxon Valdez- og Deepwater Horizon-katastroferne. Det er imidlertid ikke sikkert, at Arktiske bakterier er tilpasset olienedbrydning.

Dette studie vil undersøge olienedbrydning i isfyldte farvande i Nordgrønland med udgangspunkt i en fundamental ny forståelse af, hvordan kulbrintenedbrydning foregår i biofilm. Jeg vil udføre en helt ny type felteksperimenter, der rummer enorme muligheder for at identificere de mest realistiske olienedbrydningsmønstre og desuden identificere mikrobielle samfund, der kan afhjælpe oliespild i nogle af verdens mest sårbare økosystemer.

Hypotesen i det her eksperiment er kort fortalt, at dyrs domesticeringsproces drives af ændret tarmmikrobiota. Her er vi inde og røre ved et helt grundlæggende biologisk spørgsmål: “Hvordan er det muligt at gennemgå en omfattende forvandling fra vilddyr til husdyr?” 

Ved at undersøge vildkatte og tamme kattes tarmmikrobiota og adfærd foreslår eksperimentet, at en ændring i vilde dyrs tarmmikrobiota er en mere plausibel forklaring på de første domesticeringstrin end konventionelle forklaringer, der peger på generne som afgørende.

Hvis hypotesen holder, har eksperimentet potentialet til at åbne op for en helt ny forståelse af domesticeringsprocessen, der vil få os til at genoverveje omfanget af tarmmikrobiotas indvirken på dyreadfærd – herunder vores egen sociale adfærd.

Risikoen ved eksperimentet er høj, for det kan vise sig, at de virkninger, som eksperimentet forudser, er langt mindre end forventet – og dermed vil resultaterne være begrænsede. Men hvis hypotesen i eksperimentet holder, vil det skabe overskrifter.

Forsker: Marcus Thomas Gilbert, professor, Statens Naturhistoriske Museum, Københavns Universitet

Der foregår særlige ting, når man zoomer ind på Jordens allermindste bestanddele. For i de mikroskopiske partiklers verden gælder helt andre fysiske love og regler end dem, vi normalt kender – her hersker den såkaldte kvantemekanik.

Det her VILLUM Eksperiment ligger på grænsen mellem grundlæggende fysik og kvanteteknologi og har til formål at observere et kvantefænomen ved at udnytte diamanter med uperfektheder.

Det er ikke første gang, at det, der kaldes Bose-Einstein-kondensering, foreslås til at undersøge overgangen mellem kvanteverdenen og den klassiske verden, men eksperimentets inddragelse af diamanten kan have relevante grundlæggende og teknologiske konsekvenser.

Sammen med eksperimentets ambitioner om at observere kollektive kvanteegenskaber, kan eksperimentet potentielt bringe nyskabende resultater med sig - og selv ved delvis succes kan det føre til betydelige og ikke forudsigelige resultater.

Forsker: Haitham El-Ella, postdoc, DTU Fysik, Danmarks Tekniske Universitet

Den hovedhypotese, som eksperimentet bygger på, er en modig udfordring af en af de centrale læresætninger i moderne videnskab - at en organismes celler udelukkende styres af arvematerialet DNA. Ligesom kvantemekanikken kan beskrive forskellige lag af et fysisk system, vil eksperimentet forsøge at afdække endnu et lag i reguleringen af celler, som fungerer, når genomet er defekt.

Der er tale om et højrisikoeksperiment, der kan være alt eller ingenting. Hvis hypotesen viser sig at være korrekt, vil eksperimentet revolutionere og redefinere vores forståelse af cellebiologi og potentielt have banebrydende indflydelse på forståelsen af bl.a. kræftsygdomme. Men hypotesen kan også vise sig at være forkert. Selv da kan udviklingen af den foreslåede matematiske model dog tilbyde en unik og værdifuld ramme for konceptualisering af celler.

Det er netop præmissen i VILLUM Eksperimentet. Der skal være plads til de dristige ideer, som vi ikke ved, hvad fører med sig. I dette tilfælde er chancen for, at eksperimentet kan føre til en mere præcis teori om celledynamik virkelig spændende, og emnet er bestemt værd at udforske.

Forsker: Alexandra Muñoz, postdoc, Institut for Matematiske Fag samt Niels Bohr Institute, Københavns Universitet