Cyanobakterien verfügen über einen Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismus (CCM), der es ihnen ermöglichet, CO₂ in der unmittelbaren Nähe der RubisCO anzureichern und somit die Oxygenasereaktion des Enzyms zu unterdrücken. Der CCM macht somit die Photosynthese von Cyanobakterien weitgehend unabhängig vom CO₂-Gehalt der Umgebung, da durch aktive Transportprozesse große Mengen an anorganischem Kohlenstoff in Form von Bikarbonat in der Zelle angereichert werden. Während der Transport und die Umwandlung von Bikarbonat zu CO₂ in den Carboxysomen gut verstanden sind, weist unser Verständnis über die Regulation der zugrundeliegenden Prozesse noch größere Lücken auf. Kürzlich konnte unsere Arbeitsgruppe in Kooperation mit der Universität Tübingen das Protein SbtB als neuen Regulator des CCM identifizieren (Selim et al, PNAS 115: E4861-E4869, 2018). Der Regulator SbtB beeinflusst insbesondere die Aufnahme von Bikarbonat durch den Transporter SbtA sowie weitere Prozesse bei der Anpassung an variierende CO₂-Mengen (https://www.pflanzenphysiologie.uni-rostock.de/research/current-projects/current-projects/3/).  

In der Masterarbeit von Herrn Tom Linda wurden weiterführende Analysen zum potentiellen Regulator SbtB und dessen Wirkmechanismus bei der Anpassung an variierende CO₂-Verfügbarkeiten durchgeführt. Im Fokus hierbei stand zunächst die Erzeugung neuartiger Deletionsmutanten in den Genen sbtA und sbtA, die in zukünftigen Arbeiten zur Komplementation mit gezielten Varianten dieser Proteine als Plattform dienen können. Herr Linda hat diese DNA-Konstrukte erstellt, verifiziert und teilweise in das Cyanobakterium Synechocystis eingeführt. Dabei stellte er fest, dass SbtB weiterführende Aufgaben als nur die SbtA Regulation übernimmt, da er sbtA aber nicht sbtB Mutationen erzeugen konnte. Daneben hat Herr Linda physiologische Parameter der sbtB Mutante im Vergleich mit Mutanten erhoben, die sekundäre Messanger für die Zellkommunikation wie cAMP nicht mehr synthetisieren können. Dadurch konnten erste Hinweise zur Bestätigung der Hypothese gewonnen werden, dass diese Signalmoleküle mit SbtB bei der Kohlenstoffwahrnehmung kooperieren. Für zukünftige Versuche wurde die Generierung und Analyse von SbtB Protein-Mutanten mit Defekten in der Bindestelle derartiger Botenstoffe vorgeschlagen, um einen detaillierteren Einblick in den Wirkmechanismus von SbtB zu erhalten.

In spektroskopischen Messdaten überlagern sich häufig die Signale verschiedener Quellen, und oft ist es fur die Analyse essentiell, von den
überlagerten Daten auf die zugrunde liegenden Quellterme zu schließen - ein sogenanntes blindsource-separation Problem liegt vor. Eine bekannte mathematische Methode zur Lösung einer solchen Aufgabenstellung ist die nichtnegative Matrixfaktorisierung. Dabei wird eine nichtnegative Matrix in das Produkt zweier nichtnegativer Matrizen (i.A. deutlich kleinerer Dimension) zerlegt. Nichtnegative Matrixfaktorisierungen werden etwa bei der Analyse spektroskopischer Daten eingesetzt, um von uberlagerten Absorptionsmessungen
im Sinne des Gesetzes von Lambert-Beer in Matrixformulierung auf die Konzentrationsprobleme und Reinkomponentenspektren der beteilgten Spezies zu schließen. Typischerweise ist eine nichtnegative Matrixfaktorisierung, auch bei Vernachlässigung trivialen Mehrdeutigkeiten, nicht eindeutig und die Frage nach der Bestimmung aller möglicher Lösungen schließt sich an. In der Masterarbeit wird ein analytisches Vorgehen zur Bestimmung niedrigdimensionaler Darstellungen der Lösungsmenge untersucht. Es gilt den Rand, der aus Publikationen als set of feasible solutions bekannten Menge, analytisch zu bestimmen. An eine bekannte Methode anknüpfend, wird diese gezielt erweitert und verbessert. Insbesondere finden hierfür Zusammenhänge aus der Dualitatstheorie im Kontext nichtnegativer Matrixfaktorisierungen Anwendung.

Die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität bietet eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Bei der technischen Realisierung mittels Photovoltaik ist die größte Herausforderung die Steigerung der bislang geringen Effizienz der Module. Eine Möglichkeit die Effizienz zu steigern stellen plasmonisch unterstützte Solarzellen dar, bei denen die Eigenschaft metallischer Nanopartikel ausgenutzt wird, einfallendes Licht lokal um die Partikel zu „bündeln“. Von diesem verstärkten Nahfeld erwartet man eine höhere aber auch gezieltere Generation von Ladungsträgerpaaren im Halbleiter. Um die Dynamik von Elektron-Loch-Paaren in der Nähe plamonischer Partikel zu studieren, bietet sich die Oberflächen-Photospannung als Maß für die Anzahl erzeugter Ladungsträgerpaare an. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde die räumliche Verteilung der Oberflächen-Photospannung mittels Photoemissions-Elektronenmikroskopie untersucht. Sowohl der Vergleich verschiedener Partikeldichten als auch die Analyse der Ortsabhängigkeit auf Si(100) zeigen eine erhöhte Ladungsträgerdichte in der Umgebung der Partikel. Somit dominiert die Ladungsträgererzeugung über die oft diskutierten Auslöschungen („quenching“). Neben einem Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Prozesse bei der Licht-Materie-Wechselwirkung ermöglichen die Ergebnisse dieser Arbeit Rückschlüsse zur Optimierung der Partikeldichte, was letztendlich essentiell für die Steigerung der Effizienz plasmonisch unterstützter Solarzellen ist.

Die Erzeugung von Photonen mit einem Vielfachen der Energie des treibenden Lasers, sogenannte
hohe Harmonische, wurde in den letzten Jahrzehnten in atomaren Gasen untersucht und
hat heute wichtige praktische Anwendungen, zum Beispiel bei der Erzeugung von Attosekunden
Laserpulsen. In den letzten Jahren sind Festkörper in den Fokus der Forschung gerückt und es
wird versucht deren Eigenschaften aus den Spektren der hohen Harmonischen abzuleiten.
Topologische Isolatoren sind ein neuartiges Material deren Inneres analog zu einem trivialen
Isolator nicht elektrisch leitfähig ist, während die Oberfläche allerdings Strom leitet. In den letzten
Jahren hat die Arbeitsgruppe von Prof. Bauer endliche Systeme betrachtet und einen Unterschied
im Spektrum der hohen Harmonischen zwischen topologischen und trivialen Isolatoren theoretisch
vorhergesagt. Dieser Unterschied wurde auf die leitende Oberfläche zurückgeführt.
Laut der „bulk-boundary-correspondence“ lässt sich durch einen Blick auf das unendliche
System, welches keine Oberfläche besitzt, zwischen topologischen und trivialen Isolatoren unterscheiden,
aber führt dies auch zu einer unterschiedlichen Reaktion des Materials auf einen
Laser und damit zu Unterschieden im Spektrum? In dieser Arbeit wurde dazu das Innere eines
eindimensionalen Modellsystems betrachtet und theoretisch nachgewiesen, dass die Spektren
von topologischen und trivialen Isolatoren hier identisch sind. Durch die Einschränkung der Dynamik
auf nur eine Dimension vermuten wir keine Unterschiede beobachten zu können. Deswegen
wurde außerdem ein zweidimensionales Modellsystem betrachtet und hier wurde ein Wechsel
der Polarisationsrichtung der abgestrahlten Harmonischen von im Uhrzeigersinn zu gegen Uhrzeigersinn
zwischen topologischen und trivialen Isolatoren für einen linear polarisierten Laser
beobachtet.