Preisträger 2019

BIM in der Geotechnik

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung stehen ingenieurtechnische Disziplinen, wie die Geotechnik, im Wandel. Die reale Welt muss mit der digitalen Welt verknüpft werden, um ein effizientes und effektives Arbeiten zu ermöglichen. Um die Digitalisierung und die Planung in der Bauwelt zu optimieren, wurde das Building Information Modeling (BIM) entwickelt. Mit dem Stufenplan Digitales Planen und Bauen des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) wurde im Dezember 2015 eine schrittweise Einführung von BIM festgelegt und so die längst überfällige Digitalisierung in der Branche vorangetrieben. BIM ermöglicht es, für den Lebenszyklus eines Bauwerkes eine Datenplattform zu schaffen, mit der eine bessere Koordination zwischen allen Projektbeteiligten erfolgen kann. Am 3D-Modell können Planungen vorgenommen, Varianten untersucht und Kosten abgeschätzt werden und das schon zu einem frühen Planungsstadium des Projekts. Auch der Baugrund mit Schichtinformationen und geometrischen Bemessungen gehört als Teilmodell in Form eines räumlichen Baugrundmodells in ein BIM-Gesamtmodell. Jedoch ist die Geotechnik bis jetzt noch nicht ausreichend digitalisiert.

In Zusammenarbeit mit dem mittelständischen Dresdner Unternehmen A+S Consult GmbH war das Ziel dieser Masterarbeit die Erzeugung eines räumlichen Baugrundmodells mit Rückbezug zu den Ausgangsdaten für zwei Beispielprojekte mit Bohrungen. Dafür sollte die vom Unternehmen erstellte Planungsplattform KorFin® genutzt werden.

Der Fokus der Arbeit lag auf der Einbeziehung möglicher Datenquellen zur Bestandsmodellierung, der Integration von Daten in ein räumliches Modell und der Anreicherung der Eigenschaften der Baugrunddaten. Weiterhin erarbeitete ich die automatisierte Einteilung von Bohrungen in Homogenbereiche sowie die Entwicklung möglicher Methoden zur Erzeugung von räumlichen Baugrundmodellen. Hierfür wurde bundesweit die Bereitstellung von Bohrungsdaten und gängigen Bohrformaten hinsichtlich der Nutzbarkeit für das Building Information Modelling untersucht. Aus den Erkenntnissen konnte ein eigenes Datenmodell für die Speicherung von Bohrungsinformationen für BIM entwickelt werden.

Für die Bestandsmodellierung des Baugrunds standen die zwei Projekte S 84: Neubau Niederwartha - Meißen und A 281: Autobahneckverbindung Bremen zur Verfügung. Das Projekt S 84 diente der Entwicklung von Methoden zur Aufbereitung von Daten für ein räumliches Baugrundmodell. Hierfür wurden vor allem Bohrungsdaten des sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie verwendet. Für das Projekt A 281 ist eine 3D-Bestandsmodellierung des Baugrunds mit Hilfe eines Interpolationsverfahrens erfolgt. Durch die Modellierung konnten Volumen einzelner Baugrundschichten ermittelt werden, die in Projekten beispielweise für die Kostenkalkulation genutzt werden.

Im Rahmen dieser Masterarbeit konnten abschließend Anforderungen an Daten, den Datenaustausch, die Qualität der Bohrungsdaten, sowie die Datenaufbereitung und die Modellerzeugung für die Verwendung von BIM in der Geotechnik aufgestellt werden.

Botschaft für den DRESDEN EXCELLENCE AWARD:
Meine Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Digitalisierung von Baugrunddaten für das Building Information Modeling. Ich habe darin eine deterministische und reproduzierbare Herangehensweise zur Integration von Bohrdaten in ein räumliches Baugrundmodell entwickelt, wie es bis dato nach Kenntnisstand in der Praxis noch nicht erfolgt ist. Mit meiner Arbeit leiste ich einen Beitrag zur Überprüfung der Anforderungen des Stufenplans des BMVI zur Einführung von BIM und stelle gleichzeitig eigene konkrete Anforderungen für die 3D- Baugrundmodellierung auf.

Gerade Langzeitprojekte, wie z.B. Stuttgart 21, haben gezeigt, wie wichtig eine konsequente Vorabuntersuchung des Baugrundes zur Risiko- und Kostenminimierung ist. Mit der Nutzung der Bohrdatenbank des sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie und der Untersuchung der Bereitstellung von freien Bohrdaten in den restlichen Bundesländern habe ich außerdem einen Weg gezeigt, ressourcenschonend Baugrundmodelle zu erzeugen. In Bauprojekten kann mit öffentlichen Daten zunächst eine Bestandsmodellierung erzeugt werden, auf Grund derer neue Bohrungen wirtschaftlicher geplant und ausgeführt werden können.
Meine Masterarbeit habe ich im Dresdener Unternehmen A+S Consult GmbH geschrieben. Die Ergebnisse meiner Masterarbeit konnten im Unternehmen genutzt werden, um in der Projektarbeit 3D-Modelle mit umfangreichen Baugrundinformationen zu ergänzen. A+S Consult GmbH ist zudem mitwirkend in dem durch Deutsche Bahn, DEGES und BAW initiierten Arbeitskreis „Digitalisierung der Geotechnik“. Die Ergebnisse meiner Arbeit sind im Arbeitskreis aufgenommen worden und helfen in diesem maßgeblich bei der Entwicklung einer künftigen Richtlinie zur Digitalisierung der Geotechnik.

Die Masterarbeit wurde von beiden Gutachtern mit der Note 1,0 bewertet. Zusammen mit meinen bisherigen Studienleistungen konnte ich somit mein Masterstudium als Jahrgangsbeste der Fakultät Geoinformation der HTW Dresden abschließen.
Neben dem Studium habe ich mich in Dresden auch sportlich engagiert. Seit Beginn meines Bachelorstudiums im Oktober 2013 habe ich für die Hockeydamen des ESV Dresden gespielt. Von Oktober 2017 bis Mai 2019 war ich Kapitänin der Mannschaft. In dieser Zeit haben wir zwei Saisons in der Hallenhockey Regionalliga Ost (zweithöchste nationale Spielklasse) gespielt. Zudem führten unsere Erfolge im Feld- und Hallenhockey zur Nominierung der ESV Damen zu Dresdens Mannschaft des Jahres 2018.

Nächste Ziele und Vorhaben:
Es besteht die Überlegung, das Thema meiner Masterarbeit in Form einer Promotion zu vertiefen. In meiner Masterarbeit habe ich in einem großen Grundlagenteil die Verbindung zwischen Bodenschichten, Bodengruppen und Homogenbereichen aufgezeigt. Die Aufstellung von Homogenbereichen erfolgt in der Praxis durch Geotechniker und ist Grundlage für Volumen- und Kostenkalkulationen. In meiner Arbeit habe ich bereits ein Python-Programm entwickelt, das prototypisch Bodengruppen in Homogenbereiche einteilt. Für eine reproduzierbare Zuordnung von Bodenschichten in Homogenbereiche ist eine enge Zusammenarbeit mit Geotechnikern unabdingbar, um die teilweise sehr individuellen Regeln für die Einteilung in deterministische und belastbare Algorithmen umzusetzen. Hierbei könnte auch der Einsatz von einer Klassifikation über neuronale Netze untersucht werden. Auch das Einbinden von weiteren geologischen, geophysikalischen und bautechnischen Daten überschritt den Umfang meiner Masterarbeit und könnte von mir in einer Dissertation näher untersucht werden. Daher habe ich mittelfristig eine Promotion zu den aufgezeigten Untersuchungsbereichen ins Auge gefasst.

Antigen-specific redirection of immune effector cells against GD2-expressing tumors

Cancer represents one of the biggest challenges nowadays as it is the second leading cause of death worldwide. Therefore, creating new therapeutic strategies became an urgent need. Several promising approaches were developed in the last few decades, which depend on the activation of the immune system to attack and destroy cancer specifically. One of the most successful strategies to do so depends on the engineering of immune cells with special receptors called chimeric antigen receptors (CARs). These receptors allow the immune cells to recognize specific antigens on cancerous cells, and destroy them. This approach showed a lot of success, which granted the CAR technology approval by the FDA and the European commission for the treatment of certain blood malignancies. However, treatment with CAR T cells can lead to life-threatening side effects and toxicities in some cases. Therefore, it became necessary to develop new methods to control these engineered immune cells. For that reason, a novel CAR system called Universal CAR (UniCAR) was developed in the group of Prof. Dr. Michael Bachmann-HZDR, which allows the on/off switch of the engineered immune cells. The UniCAR system is composed of two elements, the first is UniCAR-engineered immune cells, and the second is special molecules called target modules. This system can only work to attack cancer if both elements are administrated into patients. Therefore, in case of side effects, the target modules can be discontinued, and then the UniCAR immune cells can be stopped to prevent any further complication.

My thesis work including applying the UniCAR system on specific immune cell populations including T cells and NK cells, and to develop novel therapeutic molecules (target modules) to allow the targeting of cancers expressing the glycolipid GD2. GD2 is overexpressed on many childhood as well as adulthood cancers like neuroblastoma and melanoma, which makes it a very interesting target for tumor therapy.

In my project, I was successful in creating various antibody-based molecules (target modules), and to compare their ability to activate the engineered immune cells (UniCARs). All the designed molecules allowed the efficient killing of GD2-expressing tumor cells in a specific manner. This was proved by performing in vitro complex molecular, immunological and biochemical methods as well as in vivo animal models. Since the use of immune T cells need to be personalized for each patient due to the risk of Graft-versus-host disease (the case when immune cells attack foreign tissues if transferred between different people), we tried to apply our UniCAR system on a second immune population which is NK cells. Unlike T cells, NK cells can be donated from one person to another safely (used in allogenic settings), and are known to be highly active against cancerous transformations. More specifically, we worked with an immune cell line called NK-92. In my thesis work, I was successful to engineer NK-92 cells to stably express UniCAR molecules. UniCAR-expressing NK-92 cells showed high efficiency in targeting tumours expressing GD2. In principle, these UniCAR NK-92 cells can be unlimitedly expanded, providing easily-accessed therapeutic approach for the treatment of cancer. All together, these data bring the UniCAR system step closer to future clinical testing and application.

In summary, this project provides a novel insight on the valuable potential of the immune-based therapies as an alternative approach for the safe and effective treatment of cancer.

Botschaft für den DRESDEN EXCELLENCE AWARD:

It is great pleasure and honor for me to apply for the Dresden excellence award. I believe that the effort and research I performed during my PhD studies contribute and flow with the bigger vision of Dresden as a cultural and scientific hub. My contribution was mainly by conducting research of high scientific and translational values as well as the continuous efforts to communicate these values to the scientific community and the public.

Almost 5 years ago, I have left my homeland and settled in Dresden to pursue my studies and follow my dreams. I choose Dresden because it provides a strong infrastructure and fertile ground for scientific collaboration between the different institutes and facilities. In 2014, I joined the Regenerative Biology and Medicine Master program, and after one year only, and due to my excellent performance I was apple to join the PhD program directly without finishing the master degree (Fast track PhD).
The focus of my thesis work was on the development of various novel therapeutic molecules targeting cancer through redirection of engineered immune cells named UniCARs, which were developed in Prof. Bachmann group, HZDR. The therapeutic molecules were mainly designed for targeting several childhood and adulthood tumors like neuroblastoma, Ewing’s sarcoma and melanoma, which can be very challenging to treat with conventional therapies. The results of my research were collected in two scientific manuscripts. One was already published in 2017, and the second is going to be submitted soon to an international Journal. Our good quality research has opened many opportunities for collaborations for our group and institute in Dresden with other groups and institutes in Frankfurt, Munich, Halle and internationally like Hungary, where we shared ideas, materials and experiences. All these networks have strengthened our research in general and promotes for the science and research in the city of Dresden.

Beside the basic scientific value of my research, it also has a translational value. Developing therapies for cancer is one of the hottest fields nowadays, due to the wide spread of cancer and the limited availability of therapies. Therefore, new strategies such as the UniCAR system I am working with can be translated in the future for clinical use, which supports further growth of the health section in general. To make sure we can achieve these goals, and bring the project a step closer to clinical translation, my work was regularly viewed from our partners in the university hospital to receive critical input. In summary, the project I am part of focuses on improving our ability to target cancer in a very safe, specific and effective manner providing new hope for many patients worldwide.

Beside my usual work in the lab, I was regularly participating in scientific communication events. Some of these were conferences in Germany or international, where I represented our group and institute in Dresden allowing further networking at a higher level. I feel it is also a responsibility of scientists to communicate their research to the people outside the scientific field. This is why I took part in many events to illustrate the concept behind our research to the public in a very exciting and simple way, aiming to attract attention to the importance of cancer research and spread awareness about it. These events included for example scientific slams in the long night of science in Dresden, and in Heidelberg. Moreover, in 2018, I participated in FameLab (science communication competition), where I represented the HZDR and Dresden in the national finals, and won the audience award.

I believe that through joint efforts between the different institutes of Dresden and the production of excellent science and technology, we can promote Dresden to be a cultural and scientific hub. I am also convinced that the international scientists’ community allows the opening on new cultural and scientific experiences.

Nächste Ziele und Vorhaben:

I would summarize my future aims and goals in five main directions.
First, in order to strengthen my scientific background, I will seek more collaborations at the national and international level in order to learn novel molecular and immunological approaches that can aide in the development of our current project in Dresden.

Second, I will seek to expand my experience and develop my skills in teaching and supervision of future students, and to transfer to them the knowledge that I have gained during my PhD studies.
Third, I aim to enrich my PhD project, and to develop novel ideas for immune-based cancer therapies.

Fourth, to expand my experience in the field of science communication for the public, including organizing scientific events, and hopefully starting my youtube channel to address current scientific topics.
Fifth, to improve my skills in areas such as project management and administration by attending courses and internships in companies and/or industrial institutes. Such soft skills could be essential for future career path development.

I believe that all mentioned short-term goals will help me to achieve my bigger long-term future goal which is starting of my own research group in the field of immunotherapy.

Quantentransport in ultrakalten Rydberg Aggregaten

Meine Forschung in der theoretischen Physik, untersucht die Anwendung von kalten Rydberg Aggregaten in der Quantensimulation von Transportprozessen. Die zentrale Idee der Quantensimulation ist, ein interessantes Problem das experimentell und theoretisch schwer zugänglich ist, wie zum Beispiel hier die quantenmechanische Bewegung der sehr vielen Kerne in einem komplexen Biomolekül, stattdessen in einem gänzlich anderen Kontext zu untersuchen, hier der Bewegung kalter Rydberg Atome.

In einem „Rydberg“ Atom wurde das äußerste Elektron so hoch angeregt, dass es in großer Entfernung um den Atomkern kreist, in etwa wie die Planeten um die Sonne. In diesem Zustand sind die Atome so empfindlich, dass sie sich über viele Mikrometer stark spüren, was für übliche atomare Wechselwirkungen gigantische Entfernungen sind. Aufgrund der Empfindlichkeit werden die Atome auf einige Milliardstel Grad über dem absoluten Temperatur Nullpunkt abgekühlt. Dann erweisen sich Rydberg Atome als interessanter Baustein für Quantensimulatoren, da sich herausstellt, dass Ihre Bewegung durch strukturell ähnliche Potentiale gelenkt wird wie die der Kerne in einem komplexen Molekül. Solch eine Ansammlung von Rydberg Atomen wird als Aggregat bezeichnet.

Diese Konstruktion der Quantensimulation ist vergleichbar mit einem Windkanal in der Luftfahrt, in dem an einem kleinen Modell leichter Erkenntnisse über die Strömungsmechanik eines großen Flugzeuges gewonnen werden können als am Original. Allerdings sind bei uns die Größenverhältnisse umgekehrt, das Rydberg Aggregat ist 1000-mal größer und die Bewegungen darin langsamer als im Molekül, was es ermöglicht letztere individuell zu verfolgen. Essentiell für den Kenntnis-Gewinn in der Quantensimulation ist nun aber, dass die relevanten physikalischen Prozesse auf diesen ganz anderen Skalen noch genug Ähnlichkeiten zu denen im Molekül aufweisen.

Im Rahmen meiner Habilitation haben wir zeigen können dass dies vielfach der Fall ist. So weisen Rydberg Potentiale wie in komplexen Biomolekülen konische Überschneidungen auf: An diesen erfährt das Molekül nur durch Kernbewegung üblicherweise einen Übergang zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen. Solche Prozesse beschützen zum Beispiel die DNA in menschlichem Gewebe vor Strahlungsschäden durch UV Photonen, da ein betroffenes Molekül durch die konische Überschneidung nur leicht erhitzt wieder in den Grundzustand zurückkehren kann, anstatt im angeregten Zustand evtl. krebserregende Prozesse zu durchlaufen. In den von uns vorschlagenden Quantensimulationsexperimenten ließen sich nun die komplexen Theorien und Simulationsmethoden für derartige Prozesse in bisher unzugänglichem Detail mit einem Experiment vergleichen.

Bei einer anderen Sorte Rydberg-Rydberg Potential haben wir zeigen können, wie ein atomares Anregungsquantum durch Stöße zwischen Atomen die in einer Kette aufgereiht sind quantenmechanisch von einem Ende der Kette zum anderen transportiert wird. Die Dynamik erinnert an das bekannte Newton’sche Kugelstoßpendel. Die Übertragung dieser Idee zurück auf die Moleküle, die die Inspiration geliefert haben, könnte in der Zukunft zu Verbesserungen in der Effizienz sogenannten organischer Photovoltaik Technologien führen.

Ultra-kalte Rydberg Atome werden experimentell meist innerhalb einer großen Wolke normaler Atome im Grundzustand erzeugt. Wir haben auch gezeigt, dass sich letztere nun hervorragend eignen, um unter kontrollierten Bedingungen Quantendekohärenz im Rydberg Aggregat herbeizuführen. Mit Quantendekohärenz bezeichnet man den schleichenden Verlust der simultanen Teilchen+Welle Eigenschaften der Atome, an derem Ende üblicherweise ein einfacherer, klassisch beschreibbarer Zustand steht. Da jegliches Quantensystem, auch die oben beschriebenen Biomoleküle oder Lichtsammelanlagen immer Dekohärenz ausgesetzt ist, vergrößert dies den Anwendungsbereich der Rydberg Aggregat Platform enorm.

Botschaft für den DRESDEN EXCELLENCE AWARD:

Die in meiner Habilitationsschrift beschriebene Forschung am Schnittpunkt von ultrakalter Atomphysik und der Erforschung von Nanostrukturen und biochemischen Prozessen setzt originelle und zeitgemäße Impulse mit direkter Relevanz für eine Reihe von ultrakalten Rydberg Experimenten mit exquisiter Kontrolle über die Auswahl von Rydberg Zuständen, Positionierung von Rydberg Atomen und detailgenauer Auslese der Quantendynamik von selbst komplexesten Anordnungen. Durch die Ideen in dieser Arbeit, kann mit diesen nun interdisziplinäre Forschung betrieben werden, in Kontaktpunkten zwischen ultrakalter Atomphysik, Photosynthese Forschung, Quantenchemie, Nanotechnologieforschung und der Untersuchung von Dekohärenz und dem Übergang von der quantenmechanischen zur klassischen Welt. Gleichzeitig werden nun Kollaborationen mit der Quantenchemie aufgebaut, um Ideen die in der Theorie von Rydberg atomaren Quantensimulations-Plattformen schon ihren Ursprung hatten, in Systemen mit praktisch nutzbaren Makromolekülen zu testen.

Das exzellente Dresdener Forschungsumfeld, mit der TUD und dem MPI-PKS an dem diese Arbeit angefertigt wurde, hat essentiell zu diesen Erfolgen beigetragen. Besonders die internationale Atmosphäre in der Forschung und die Organisation vielfältiger Programme zur Öffentlichkeitsarbeit und Motivation, wie der Dresdener Nacht der Wissenschaften sind in angenehmer Erinnerung geblieben. Daher ist es auch umso willkommener, dass ich auch nach dem Wegzug nach Indien durch das Max-Planck-Indien Partnergruppen Programm nach wie vor gut an das MPI-PKS und Dresden angebunden bleiben konnte, und weiter regelmäßig zur Vertiefung der Zusammenarbeit zurückkehren kann. Gleichzeitig freue ich mich über die Gelegenheit, durch meine Stellen zunächst in Ankara und nun in Bhopal weitere internationale Verbindungen fuer Dresden erschliessen zu können, und auch aktiv den Austausch zum Beispiel von Studenten fördern kann.

So konnte zum Beispiel meine langjährigen Kollegen aus Dresden im Rahmen eines Max-Planck Partnergruppen kick-off workshops das Institut in Indien kennenlernen und umgekehrt meiner hiesigen Arbeitsgruppe einen Eindruck der Dresdener Forschungskultur geben. Dies hat nun auch schon zu den ersten Umzügen nach Dresden geführt. Im Rahmen eines ähnlichen Partnerprogrammes mit der Uni Strassburg, wird diese Vernetzung mit Europa in Kürze noch vertieft werden.

Nächste Ziele und Vorhaben:

Meine Forschungsgruppe in Indien betreibt nun theoretische Physik in drei Hauptgebieten.

(1) Wir vertiefen die Idee der Rydberg-Aggregate als Quantensimulationsplatform wie eingangs beschrieben. Hierzu betrachten wir nun insbesondere deren Einbettung in ein Bose-Einstein Kondensat (BEC). Dies ist motiviert durch neue Experimenten mit ultra-kalten Rydberg Atomen, in denen diese erfolgreich in einem Kondensat erzeugt wurden. Ein Bose-Einstein Kondensat ist besonders extremer Materiezustand, noch kälter als oben beschrieben, in dem hunderttausende von Atomen in perfektem Einklang in genau demselben Quantenzustand vorliegen. Die spezielle Kontrolle die dieser Zustand ermöglicht, und seine hohe Kohärenz, sind nun wiederum von großem Vorteil für die Realisierung noch speziellerer Umgebungen für Rydberg Aggregate, die dann eine genauere Simulation jener Umgebungen ermöglichen, die z.B. in photosynthetischen Komplexen vorliegen.

(2) In einem zweiten Forschungsfeld befassen wir uns auch mit dem BEC an sich, zum Beispiel sogenannten Solitonen die sich in diesen fortbewegen können. In diesen nicht-linearen Wellen können anziehende Wechselwirkungen zwischen Kondensat-Atomen genau die Dispersion der Welle kompensieren, also die Tendenz sich zu verbreitern, was dann zu einer Welle führt die Ihre Form niemals ändert. Wir untersuchen inwiefern bei Kollisionen von zwei solchen Wellen spezielle Quanteneffekte zu Tage treten.
Kondensate lassen außerdem auch wieder spezielle Quantensimulationen zu: hierbei kann die Ausbreitung von Wellen im Kondensat mit der Bewegung von Teilchen in einer gekrümmten Raumzeit, wie in der allgemeinen Relativitätstheorie verglichen werden. Dies erlaubt in der Analogie dann Rückschlüsse auf Phänomene der Astrophysik, wie Hawking Strahlung oder Teilchenerzeugung in der Kosmologie, allerdings hier nun übertragen auf Schallwellen in einem Kondensat.

(3) Schließlich interessieren uns auch Untersuchungen des Quanten-Klassischen Übergangs, also die Fragestellung warum die Welt um uns herum der klassischen Physik zu unterliegen scheint, obwohl sämtliche mikroskopischen Gesetzmäßigkeiten mit der Quantenmechanik zu beschreiben sind. Eine spezielle Rolle hierbei spielen sogenannte Schrödinger’s Katzen, in denen möglichst makroskopische Objekte in eine quantenmechanische Überlagerung aus sich gegenseitig ausschließenden Zuständen gebracht werden. Wir untersuchen hierbei wie derartige Zustände mit Rydberg Atomen und Kondensaten erzeugt werden, motiviert dadurch dass Rydberg Atome einfach in Überlagerungzustände zu bringen sind, während Kondensate aus vielen Millionen Teilchen makroskopisch aber trotzdem kohärent sein können.