Profilbereich Structure & Dynamics of Life

Mission Statement

Der Profilbereich "Structure and Dynamics of Life" ist eine treibende Kraft innerhalb der Internationalisierungsstrategie der GU. Er ist mit dem Structural Genomics Consortium verbunden, leitet das European Research Infrastructure Consortium INSTRUCT-ERIC und ist an zahlreichen europäischen Projekten beteiligt. Er ist ein wesentlicher Knotenpunkt für die Life-Science-Forschung in Frankfurt, der gesamten Rhein-Main-Region und darüber hinaus. Durch die Kombination von Spitzenforschungsprojekten unter der Leitung etablierter Wissenschaftler mit der Einbindung vielversprechender junger Forscher will er seine bestehenden Stärken ausbauen und das Entstehen neuer Kooperationsinitiativen fördern.


Profilbereichssprecher*innen


Der Profilbereich „Struktur und Dynamik des Lebens“ möchte die Rätsel über die Geheimnisse des Lebens in Ort und Zeit auflösen – von der molekularen Ebene über die makromolekulare bis hin zu Zellen, Geweben und Organismen. Untersuchungen zur Struktur und Dynamik sind schon lange stark verwurzelt in Frankfurt. Wir entwickeln sie ständig weiter und schaffen neue Werkzeuge für deren Untersuchung. Ich finde diesen multiskaligen räumlich-zeitlichen Ansatz unglaublich faszinierend.

Alexander Heckel (Chemische Biologie)
Gründungsprecher im Profilbereich Structure & Dynamics of Life

Zellen sind die Grundeinheiten des Lebens. Um zu verstehen, wie biologische Systeme funktionieren, müssen wir ein tiefes Verständnis der Bausteine von Zellen haben und wissen, wie sie zusammenpassen, um ihre hochkomplexe innere Struktur zu bilden. Wir müssen auch verstehen, wie sich diese Struktur dynamisch selbst zusammensetzt, ihr Gleichgewicht aufrechterhält und sich kontinuierlich umgestaltet, um sich an die Umwelt anzupassen, sowohl unter gesunden als auch unter pathologischen Bedingungen. Dies sind für mich die anspruchsvollen Ziele des Profilbereichs Structure and Dynamics of Life.

Virginie Lecaudey (Zellbiologie und Neurowissenschaft)
Gründungsprecherin im Profilbereich Structure & Dynamics of Life


Forschungsschwerpunkte​


Das Hauptziel des Profilbereichs "Struktur und Dynamik des Lebens" besteht darin, die Bausteine lebender Systeme zu erforschen und herauszufinden, wie sich diese Bausteine in Raum und Zeit dynamisch umgestalten, bewegen und interagieren. Die Bausteine lebender Systeme reichen von einzelnen Molekülen bis zu makromolekularen Komplexen, Organellen, Zellen, Organen und sogar ganzen Organismen. Um zu verstehen, wie ein biologisches System, z. B. eine Zelle, funktioniert, muss man nicht nur seine Struktur genau aufschlüsseln, sondern auch verstehen, wie sich diese Strukturelemente in der räumlichen und zeitlichen Auflösung des Systems dynamisch entwickeln. Neben dem Verständnis, wie ein biologisches System "im Gleichgewicht" funktioniert, besteht ein weiteres Hauptziel des Profilbereichs "Struktur und Dynamik des Lebens" darin, die grundlegenden Prinzipien zu ermitteln, die es diesem System ermöglichen, sich an interne oder externe Veränderungen, wie Stress oder pathologische Bedingungen, anzupassen. 

Um diesen Fragen nachzugehen, werden Instrumente und Werkzeuge benötigt, die es ermöglichen, biologische Systeme auf diesen sehr unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen und in sie einzugreifen. Aus diesem Grund unterhält die Goethe-Universität Zentren für kernmagnetische Resonanz und Massenspektroskopie sowie für Elektronen- und Lichtmikroskopie. Darüber hinaus werden wesentliche Werkzeuge speziell für die Induktion lichtgesteuerter Prozesse gebaut. In diesem Zusammenhang spielt auch die genetische Manipulation von Organismen eine entscheidende Rolle, um die vielfältigen Prozesse unter physiologischen Bedingungen zu beobachten. 

Derzeit bereitet die Clusterinitiative SCALE (SubCellular Architecture of LifE) einen Vollantrag im Rahmen der Exzellenzstrategie (ExStra) vor. SCALE, an dem zahlreiche Wissenschaftler*innen des Profilbereichs beteiligt sind, vereint die Bereiche Zellbiologie, Biophysik, Molekularbiologie, Neurobiologie, Chemie, Bioinformatik und Mathematik. Es wird völlig neue experimentelle Techniken entwickeln, um das Innere von Zellen abzubilden, zu simulieren und ihr Verhalten vorherzusagen. Diese Forschungen werden wichtige neue Erkenntnisse über bakterielle Resistenz, Entzündungen, neurodegenerative Erkrankungen und die Immunabwehr liefern.

Andere wichtige Forschungsthemen des Profilbereichs sind RNA-basierte Prozesse, Membran- und Organellendynamik, neuronale molekulare und zelluläre Architekturen, Zell-Zell-Wechselwirkungen und lichtgesteuerte Prozesse sowie zahlreiche Querverbindungen zwischen diesen Themen.

RNA-basierte Prozesse

Forschungen zu RNA haben an der Goethe-Universität eine lange Tradition. Mit ihrem interdisziplinären Ansatz, die Faltungen der RNA und damit die RNA-Regulation besser zu verstehen, ist die GU einzigartig. In den letzten 20 Jahren ist es uns gelungen, grundlegende Prinzipien und Mechanismen der RNA-Struktur und -Regulation zu finden und zu nutzen. Der SFB 902 "Molekulare Grundlagen der RNA-basierten Regulation" förderte diese Arbeiten und hat Verbindungen zu den Neurowissenschaften und der Medikamentenentwicklung hergestellt.

Dynamik von Membranen und Organellen

Der SFB 1507 "Membranassoziierte Proteinverbände, Maschinen und Superkomplexe" zielt auf ein vertieftes, quantitatives Verständnis der Struktur, Dynamik und Funktion der gleichnamigen, fundamentalen membranassoziierten Proteinverbände als Grundlage für die Entschlüsselung entsprechender zellulärer Prozesse. Eines der relevanten Ziele ist zum Beispiel zu verstehen, wie sich Membranproteine organisieren, um chemische Reaktionen in überfüllten Zellen zu steuern und Signale zur richtigen Zeit am richtigen Ort auszulösen. In dieser sehr dichten zellulären Umgebung sind die Zellmembranen über supramolekulare Anordnungen unterteilt und können über Membrankontaktstellen direkt miteinander kommunizieren. Zu den interessanten offenen Fragen gehört, wie die dynamischen membranassoziierten Verbände räumlich und zeitlich organisiert sind und die Homöostase und Architektur der Zelle bei der Anpassung an Infektionen, bösartige Veränderungen und eine sich verändernde Umgebung oder Stress beeinflussen.

Neuronale molekulare und zelluläre Architekturen

Der Forschungsschwerpunkt Neurowissenschaften untersucht in Zusammenarbeit mit dem MPI für Hirnforschung die Grundlagen von Neuronen als informationsverarbeitende Zellen, die Regulation neuronaler Verbindungen und die räumlich-zeitliche Dynamik der Wahrnehmung. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich der SFB1080 "Molekulare und zelluläre Mechanismen der neuronalen Homöostase" mit der Homöostase des Nervensystems und der Frage, wie das Versagen homöostatischer Prozesse zu Krankheiten führen kann. Weitere wissenschaftliche Fragen in diesem Forschungsschwerpunkt sind der Austausch zwischen Nerven- und Gefäßsystem sowie die Rolle der RNA bei der neuronalen Plastizität.

Lichtbasierte Werkzeuge

Die Erforschung lichtgesteuerter Prozesse in Molekülen und Organismen an der Goethe-Universität ist einzigartig. Die Optogenetik ist inzwischen ein hervorragend etablierter Bereich, der genetisch kodierte, lichtgesteuerte Proteine nutzt, um mit Licht die Membranspannung, Ionen- und Botenstoffflüsse, die Genexpression, die Lebensdauer von Proteinen und den programmierten Zelltod zu steuern. Mittelfristige Ziele sind Therapien für bisher unheilbare neurologische Erkrankungen und Herzkrankheiten. Das DFG-Schwerpunktprogramm 1926 widmet sich dem Thema "The Next Generation of Optogenetics". Im chemisch orientierten DFG-GRK 1986 Komplexe Steuerung mit Licht werden neue Prinzipien der Lichtregulation untersucht, die von theoretischen Vorhersagen über synthetische Realisierungen und spektroskopische Charakterisierungen bis hin zu Anwendungen in Neuronen und lebenden Organismen reichen (Teil des SFB 902). Das Potenzial für die Entwicklung von lichtgesteuerten Medikamenten ist noch gar nicht abschätzbar. In einem neuen Verbundprojekt werden Ansätze für intelligente Sonden erprobt, die eine komplexe lichtmikroskopische Analyse ihrer Umgebung ermöglichen.

Strukturen in lebenden Zellen

Es gab einen Durchbruch in der technologischen Entwicklung von Cryo-EM und Cryo-TM, die es uns ermöglichen, lebende Systeme mit einer noch nie dagewesenen Auflösung zu messen und zu beobachten, was allerdings riesige und komplexe Daten mit sich bringt. Die Herausforderung besteht nun darin, diese großen Datensätze zu verarbeiten und quantifizierbare Parameter und Grundprinzipien zu extrahieren, um diese biologischen Prozesse in Zukunft zu modellieren. Die entsprechende Ausbildung von Doktorand*innen steht im Mittelpunkt des DFG-GRK 2556 iMOL. Die großen Datensätze, die präzisen Beschreibungen und die analytisch ableitbaren numerischen Parameter bieten die Voraussetzung für den Einsatz von maschinellem Lernen und damit die Chance, Einblicke in biologische Mechanismen zu gewinnen, die über die Grenzen unserer bisherigen Erkenntnisse hinausgehen werden.





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