LEUP
Least microEnvironmental Uncertainty Principle
Zellen folgen nicht nur ihrem genetischen Programm, sondern sie nehmen auch ihre Mikroumgebung wahr. Dadurch können sie Entscheidungen treffen und ihr Verhalten (Phänotyp) verändern. In der Mikroumgebung befinden sich neben nahe verwandten Zellen auch andere Arten von Zellen, welche Signale produzieren und darauf reagieren. Dieser dynamische Dialog der Zellen bildet die Grundlage des kollektiven Verhaltens, das von Bakterien bis hin zur Organentwicklung höherer Organismen zu finden ist. Trotz der Fortschritte in der biologischen Forschung verstehen wir immer noch nicht vollständig die Prinzipien, die der Entscheidungsfindung in multizellulären Mikroumgebungen zugrunde liegen.
In diesem Projekt verfolgen wir einen von der statistischen Mechanik inspirierten Ansatz, um grundlegende Fragen zu beantworten, die sich aus der Komplexität biologischer Systeme ergeben. Wir gehen davon aus, dass Zellen ihren Phänotyp ableiten, indem sie ihre Mikroumgebung wahrnehmen und ihre bisherigen Informationen darüber verbessern. Diese Hypothese formalisieren wir in einer mathematischen Theorie und postulieren das „Least microEnvironmental Uncertainty Principle“ (LEUP) der zellulären Entscheidungsfindung. Dadurch erhalten wir eine mathematische Abstraktion der zellulären Entscheidungsfindung mit geringer Komplexität, die uns ermöglicht, verschiedene Arten von Daten zu integrieren und Vorhersagen zu treffen, ohne alle zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu kennen. Wir überprüfen dieses Modell mit vier verschiedenen Systemen zellulärer Entscheidungsfindung, welche von hämatopoetischen und immunologischen Zelldifferenzierung (T-Zellen) und Plastizität (Makrophagen) bis hin zur bakteriellen Motilität und Zellteilung reichen.
Partner
Prof. Dr. Massimo Locati, Università degli Studi di Milano, Italien
Prof. Dr. Marc Erhardt, Humboldt-Universität Berlin
Prof. Nir Friedman, The Weizmann Institute of Science, Israel
Laufzeit
01/2020 - 12/2024
