Entwicklung und Validierung eines Bioassays zum Nachweis induzierter Genaktivität für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation

Neben der fehlenden Schwerkraft stellt die Strahlenbelastung des Astronauten einen limitierenden Faktor für den Langzeitaufenthalt des Menschen im Weltraum dar. Experimente zur Untersuchung einer möglichen Interaktion zwischen Mikrogravitation und der zellulären Strahlenantwort können auf der Erde nur unzureichend bearbeitet werden. Die Internationale Raumstation bietet als derzeit wichtigste Forschungsplattform eine Möglichkeit, dieser Fragestellung nachzugehen. Im Weltraumexperiment Cellpath soll eine geänderte Genexpression schadensrelevanter Gene unter Verwendung von indikativen Bioassays analysiert werden. Dazu sollte ein auf dem Rezeptor-Reporter-Prinzip basierendes, zelluläres Testsystem konzipiert werden. Um einen für diesen Zweck geeigneten Promotor- oder Enhancer zu finden, der die Rolle eines regulatorischen Elements übernimmt, wurde die Expression verschiedener Gene untersucht, deren Genprodukte in unterschiedlichen DNA-Reparaturwege involviert sind. Anhand einer in verschiedenen humanen Zelllinien (A549, MCF-7, AGS, HEK und NHF) durchgeführten strahlenbiologischen Charakterisierung wurden A549-Zellen als geeignete Wirtslinie für das Testsystem identifiziert. Die Ergebnisse der mittels quantitativer Real Time RT-PCR durchgeführten Genexpressionsstudien wiesen das p53R2 Gen als geeigneten Kandidaten für die Etablierung eines induzierbaren Bioassays aus. Für dessen Entwicklung wurde ein Vektorsystem konstruiert, das die Expression des Reportermoleküls EGFP unter der Kontrolle der p53-abhängigen Form der Ribonukleotid Reduktase (p53R2) als Sensor ermöglicht. Dazu wurde die Bindestelle für den Transkriptionsfaktor p53 aus dem 1. Intron des p53R2 Gens in den promotorlosen EGFP-Vektor kloniert und stabil in A549 Zellen transfiziert. Die Induzierbarkeit der rekombinanten Zelllinie A549-RRM2b wurde in biologischen Experimenten mit Strahlung unterschiedlicher Qualität überprüft. Die nach Exposition mit Röntgenstrahlen, beschleunigten Kohlenstoff- und Argon-Ionen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass der rekombinanten Zelllinie eine hohe Bedeutsamkeit für ein Weltraumexperiment zukommt

Controlling qubit networks in polynomial time

Future quantum devices often rely on favourable scaling with respect to the system components. To achieve desirable scaling, it is therefore crucial to implement unitary transformations in an efficient manner. We develop an upper bound for the minimum time required to implement a unitary transformation on a generic qubit network in which each of the qubits is subject to local time dependent controls. The set of gates is characterized that can be implemented in a time that scales at most polynomially in the number of qubits. Furthermore, we show how qubit systems can be concatenated through controllable two body interactions, making it possible to implement the gate set efficiently on the combined system. Finally a system is identified for which the gate set can be implemented with fewer controls. The considered model is particularly important, since it describes electron-nuclear spin interactions in NV centers

Emerging unitary evolutions in dissipatively coupled systems

Having a broad range of methods available for implementing unitary operations is crucial for quantum information tasks. We study a dissipative process commonly used to describe dissipatively coupled systems and show that the process can lead to pure unitary dynamics on one part of a bipartite system, provided that the process is strong enough. As a consequence of these findings, we discuss within the framework of quantum control theory how the dissipative process can enable universal control of the considered part, thereby turning parts of the system into a system capable of universal quantum information tasks. We characterize the time scales necessary to implement gates with high fidelity through the dissipative evolution. The considered dissipative evolution is of particular importance since it can be engineered in the laboratory in the realm of superconducting circuits. Based on a reservoir that is formed by a lossy microwave mode we present a detailed study of how our theoretical findings can be realized in an experimental setting

Generation of two-mode entangled states by quantum reservoir engineering

A method for generating entangled cat states of two modes of a microwave cavity field is proposed. Entanglement results from the interaction of the field with a beam of atoms crossing the microwave resonator, giving rise to non-unitary dynamics of which the target entangled state is a fixed point. We analyse the robustness of the generated two-mode photonic "cat state" against dephasing and losses by means of numerical simulation. This proposal is an instance of quantum reservoir engineering of photonic systems.Comment: 8 pages, 7 figure