Forschungsschwerpunkte und Projekte

Forschungsschwerpunkte und Kooperationen

Nachfolgend sind alle aktuellen Projekte in der Abteilung mit ihren inhaltlichen Schwerpunkten sowie detaillierten Informationen aufgeführt.

Die nachfolgenden Projekte werden gefördert durch die Europäische Union und den Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE), die Investitionsbank des Landes Brandenburg, das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bzw. das Bundesministerium für Bildung und Forschung.

InnoCrossP-OES: CrossCluster Innovation für die Ernährungswirtschaft durch ICP-OES Analytik

In der Lebensmittelanalytik spielt die Optische Emissionsspektrometrie mit Induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) zur Bestimmung der elementaren Zusammensetzung von Lebensmitteln eine große Rolle. Es können bis zu 70 Elemente parallel quantifiziert werden, u. a. schädliche Schwermetalle wie Blei, Quecksilber (Hg) und Arsen (As) und wichtige Mineralstoffe wie Kalium, Calcium und Magnesium. Das ICP-OES Gerät soll in der Lehre im Bereich der Bioanalytik sowie für Forschungsprojekte in Bereichen der Lebensmittel- sowie Umweltanalytik in der Abteilung Molekulare Biotechnologie und Funktionelle Genomik eingesetzt werden. Das Projekt wird finanziell unterstützt durch die Europäische Union und den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Als Grundlage dient die Richtlinie des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWFK) des Landes Brandenburg zur Förderung der Infrastruktur für Forschung, Entwicklung und Innovation aus dem EFRE (InfraFEI).

med-IoT-KI: KI-unterstützte IoT Umgebung für medizinische Untersuchungen

Die Zukunft des Gesundheitswesens konzentriert sich auf die Bereitstellung von prädiktiven und personalisierten Modellen, die die individuelle Krankheit oder das Wohlbefinden widerspiegeln (Präventivmedizin). Die Entwicklung biomedizinischer Patienten-Surveillance-Systeme ist daher eine vielversprechende Lösung zur Förderung der Präventivmedizin in Verbindung mit Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) als leistungsstarkem Werkzeug. Das primäre Ziel des aktuellen Projekts ist der Aufbau eines IoT-basierten Gesundheitsüberwachungssystems zur Prävention und Diagnose möglicher gesundheitlicher Beeinträchtigungen. Das System besteht aus einer KI-Infrastruktur zur Bereitstellung von Berechnungen mit Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens sowie aus tragbaren Sensoren zur Aufzeichnung und Übertragung biomedizinischer Signale. Tragbare medizinische Sensoren spielen eine entscheidende Rolle bei Systemen zur Überwachung physiologischer Parameter und täglicher Aktivitäten von Patienten, da sie gesundheitsbezogene Informationen sammeln, die zur Ausarbeitung von Diagnosen in Echtzeit verwendet werden können. Sensoren messen Signale, mit denen Elektrokardiogramme (EKGs), Elektromyogramme (EMGs), Photoplethysmogramme (PPGs) erstellt werden können. Sie überwachen die Bioimpedanz, die Herzfrequenz (HR), die Sauerstoffsättigung (SpO2) und bestimmen in Echtzeit die Lungenrespiration (Atmungfrequenz und Atemvolumen). Das Projekt wird finanziell unterstützt durch die Europäische Union und den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Als Grundlage dient die Richtlinie des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWFK) des Landes Brandenburg zur Förderung der Infrastruktur für Forschung, Entwicklung und Innovation aus dem EFRE (InfraFEI).

SciNote classroom: ELN zur Digitalisierung von Laborpraktikas

Elektronische Laborbücher (engl. electronic laboratory notebooks, ELNs) sind ein wichtiger Bestandteil zur Digitalisierung der Laborarbeit und weisen vielzählige Vorteile gegenüber der traditionellen papierbasierten Laborbuchführung auf. In Kooperation mit der Firma SciNote (https://www.scinote.net/) wird den Studierenden des Studiengangs Biosystemtechnik / Bioinformatik die Möglichkeit gegeben, ihre Laborexperimente mithilfe von SciNote zu organisieren. Mit der webbasierten Anwendung können die Studierenden ihre Experimente Zuhause planen, im Labor papierlos (z.B. mithilfe eines Tablets) arbeiten und schließlich kollaborativ auswerten. Weiterhin lernen die Studierenden die Integration der PipettePilot Software von Gilson kennen, die Pipettierprotokolle an Bluetooth-gekoppelte Pipetten überträgt und nach Beendigung eine Zusammenfassung der Pipettierschritte an SciNote sendet. Diese Vernetzung des Labors ist damit auch ein erster Einblick in das Internet der Dinge (engl. internet of things, IoT) und das Zukunftsprojekt Industrie 4.0.

Parallel World: Can polymerases go against the grain?

Das derzeitige Paradigma der Nukleinsäure-Polymerase-Reaktionen ist, dass die DNA-Synthese ausschließlich von antiparallel ausgerichteten Template-Primer-Duplexen initiiert wird. Neue XNA-basierte Experimente deuten jedoch auf die Möglichkeit hin, dass einige Polymerasen flexibel genug sind,um ein natürliches Nukleinsäure-Templat in umgekehrter Richtung zu kopieren und/oder am 5'-Ende von einem parallel hybridisierten Primer zu initiieren. Ziel des Projektes ist nun es herauszufinden, ob Polymerasen in der Lage sind unübliche, parallel angeordnete DNA-Doppelhelix als Substrat für die Nukleinsäuresynthese zu akzeptieren. Daraus würde eine Kopie des Doppelstranges in umgekehrter Reihenfolge resultieren, was wichtige Folgen für die genetische Information hätte, falls dies auch in lebenden Organismen unter bestimmten Bedingungen vorkommt. Zusätzlich könnten Rückschlüsse auf die frühe Evolution des genetischen Codes, der Genregulation und der Reparaturmechanismen, die zur Erzeugung von Diversität im Immunsystem beitragen können, gezogen werden.

ColdCoffeeEx: Prozesstechnologien für die Produktion kaltextrahierter Kaffeegetränke (Cold Brew Kaffee) und Ausbau sensorischer Profile über Fermentation

Kaltextrahierter Röstkaffee, sog. Cold Brew Kaffee, weist ein charakteristisches Aromaprofil und eine von heißgebrühtem Kaffee differierende Zusammensetzung auf und ist ein neuer Trend mit steigender Marktrelevanz. Von Nachteil sind einerseits die derzeit lange Extraktionsdauer (8 bis 24 Stunden) und andererseits die kurze Haltbarkeit der Getränke aufgrund der fehlenden Hitzebehandlung.

In Zusammenarbeit mit dem Kaffeeimporteur- und röster The Coffee Store (Mannheim) soll zunächst ein beschleunigtes ultraschallbasiertes Extraktionsverfahren ausgearbeitet werden, das die Bereitstellung frisch extrahierter Cold Brew Kaffees für die Gastronomie ermöglicht. Anschließend soll eine Fermentationstechnologie für die Extrakte entwickelt werden zur Produktion unterschiedlicher und haltbarer Cold Brew Kaffeegetränke. Wesentliche Aufgaben sind die Selektion und Evaluation geeigneter Fermentationskulturen sowie die Ausarbeitung einer massenspektrometriebasierten Aroma- und Toxinanalytik.

BioKonConFood: Biokonservierungsmethoden zur Erzeugung von natürlichem "hausgemachten" Convenience Food (Fertiggerichten)

Die Hauptforderungen an "hausgemachte Waren" sind eine lokale Herkunft, Produktsicherheit und minimale Prozessierung. Die konventionellen Konservierungsmethoden für Fertiggerichte basieren in der Regel auf Anwendung drastischer physikalischer Behandlungen oder potenziell gefährlicher Chemikalien. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer origineller Biokonservierungsmethoden, die auf den Prinzipien der Biopräservation und des ökologischen Ansatzes basieren und bei denen natürliche Zusatzstoffe und innovative Konservierungstechnologien eingesetzt werden.

Equi-Mikrobiom: Entwicklung einer technologisch neuen Methode zur Bestimmung des Gesundheitsstatus bei Pferden mittels erstmaliger Darmflora-Mikrobiomsequenzierung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer technologisch neuen Methode zur Bestimmung des Gesundheitsstatus bei Pferden mittels Darmflora-Mikrobiomsequenzierung. Die Diagnosemöglichkeiten bei Pferden sind aus verschiedenen Gründen wesentlich geringer als bei Menschen. Daher planen wir, ein neuartiges mirkobiologisches Diagnoseverfahren zu entwickeln, auf dessen Basis man den allgemeinen Gesundheitszustand von Pferden ableiten und gegebenenfalls auch Empfehlungen zur Verbesserung aussprechen kann. Auf Basis von Proben aus Pferdemist soll mittels Sequenzierung des Mikrobioms ein Aufschluss über die Art der vorhandenen Bakterien und deren Häufigkeit gegeben werden können. Hierzu müssen neuartige Labor- und Analyseverfahren entwickelt werden, weil die Proben mit einer großen Zahl an Fremdstoffen und Störfaktoren behaftet sind und völlig unterschiedliche Bestandteile des Mikrobioms analysiert werden müssen. Die Ergebnisse der Sequenzierung sollen Rückschlüsse auf Krankheiten, Haltungs- und Ernährungsweisen erlauben.

micro2DL: Deep Learning für mikroskopische Bild- und Mikrobiomanalyse

In diesem Projekt ist die Entwicklung von Deep Learning (DL) Methoden für die Anwendung auf komplexe/heterogene biologische Hochdurchsatzdaten (BigData) aus der mikroskopischen Bilderkennung und der Mikrobiomanalyse mittels Next Generation Sequenzierung (NGS) geplant. Durch die enge Zusammenarbeit der Beteiligten aus beiden Fachgebieten soll eine Synthese erreicht werden, die neue Ansätze und eine höhere Genauigkeit bei der Analyse der Daten ermöglicht.
Die neuen Erkenntnisse sollen dabei helfen DL Methoden einfach an andere biologische/medizinische BigData-Themen zu adaptieren (z. B. Massenspektrometrie, Ökologie). Außerdem soll das Projekt den beiden Kooperationsfirmen den Einstieg in die Humandiagnostik mit einem Produkt zur mobilen Blutbildanalyse und einer detaillierten Mikrobiomanalyse ermöglichen.

agru Physics: physikalische Methoden für Nachhaltigkeit in Landwirtschaft und Umwelt

Das Netzwerk versteht sich als eine offene FuE-Plattform für innovative Unternehmen auf den Gebieten der Umwelt, Landwirtschaft und verarbeitenden Industrie landwirtschaftlicher Rohstoffe.