Vom Einzelmolekül zur Zellfunktion

Der menschliche Körper besteht aus Billionen funktionell spezialisierter Zellen. Jede Zelle ist dicht gepackt mit Molekülen, die biochemische Reaktionen durchführen, Energie umwandeln, Signale übertragen oder die Zellen in die Lage versetzen, sich bei Bedarf zu bewegen. Um diese erstaunlich vielfältigen Funktionen ausführen zu können, sind die Zellen in spezialisierte Kompartimente unterteilt, in denen bestimmte Moleküle lokal konzentriert sind. Diese subzelluläre Architektur entsteht dynamisch und wird ständig umgestaltet, um sich den zellulären Bedürfnissen und den Umweltbedingungen anzupassen. Sie wird durch eine komplexe Choreographie gebildet, in der sich Moleküle durch synergistische Effekte selbst organisieren.

Wissenschaftler:innen haben die Hauptakteure der subzellulären Architektur identifiziert und charakterisiert, z. B. die Moleküle, die die zellulären Kraftwerke, die Mitochondrien, bilden, oder die Moleküle, die für die Verteidigung gegen bakterielle Infektionen zuständig sind. Wie jedoch die einzelnen Bausteine der subzellulären Architektur in der komplexen Umgebung einer Zelle zusammenwirken, ist nach wie vor unklar. Wir verstehen noch nicht einmal die grundlegenden Konzepte, z. B. wie sich die Zellmembranen zu der komplizierten, vielschichtigen Architektur der Mitochondrien falten oder wie sie eindringende Bakterien umgeben und isolieren. Es ist unmöglich vorherzusagen, wie die subzelluläre Architektur umgestaltet wird, z. B. bei Stress oder Krankheit. Dies ist auf die Grenzen unserer experimentellen Möglichkeiten und wissenschaftlichen Konzepte zurückzuführen. 

Bisher war es schwierig, einzelne Moleküle im Inneren von Zellen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu beobachten. Infolgedessen werden selbstorganisierende biologische Prozesse oft als vereinfachte zweidimensionale Flussdiagramme dargestellt.

Der SCALE-Cluster verfügt über Kenntnisse in der fortgeschrittenen experimentellen Analyse von Zellen, der computergestützten Modellierung und Simulation von Molekülen und der Untersuchung der subzellulären Organisation, z. B. der Energieumwandlung in Mitochondrien oder der bakteriellen Resistenz. SCALE wird auf diesem Fachwissen aufbauen, um Methoden zur Visualisierung der Bausteine von Zellen bei der Arbeit zu entwickeln und die rechnerische Integration von wissenschaftlichen Daten zu erleichtern. Wir werden digitale Zwillinge von Zellen erstellen, die bestimmte Zellsegmente bis ins molekulare Detail und in vier Dimensionen simulieren, um sowohl die wissenschaftliche Konzeptualisierung als auch die gesellschaftliche Bildung zu unterstützen. Die digitalen Zwillinge werden zelluläres Verhalten in silico vorhersagen und unser Verständnis z. B. dafür verbessern, wie die mitochondriale Architektur während menschlicher Krankheiten oder der Alterung umgestaltet wird. Letztendlich sollen sie dazu beitragen, neue architektonische Elemente auf der Grundlage von Ansätzen der synthetischen Biologie zu entwerfen. Durch die Erstellung vereinfachter digitaler Zwillinge wird SCALE es Studierenden und der breiten Öffentlichkeit ermöglichen, die Schönheit von Zellen zu erleben und ihre faszinierenden Funktionen und Strukturen kennen zu lernen. Das starke Engagement von SCALE für die Entwicklung neuartiger Berechnungsmethoden, offene Wissenschaft und die Ausbildung der nächsten Generation von Forschenden wird die quantitative digitale Biologie voranbringen.

Im Internal Board ist FIAS-Senior-Fellow Gerhard Hummer vertreten, zu den PIs zählt FIAS-Fellow Roberto Covino, assoziierte Mitglieder sind FIAS-Direktor Eckhard Elsen und FIAS Fellows Franziska Matthäus, Tatjana Tchumatchenko und Sebastian Thallmair.

Pressemitteilung: Zelluläre Architekturen: SCALE | Aktuelles aus der Goethe-Universität Frankfurt