Räumlich-zeitliche Dynamik in der Systembiologie

Wie entwickelt sich ein komplexer Organismus aus einer befruchteten Eizelle?
Wie entscheidet der wachsende Zellhaufen, wo links und rechts der Körperlängsachse sind?
Wie legt die einzelne Zelle ihren besonderen Zelltyp fest?
Wie erkennen Organe, dass sie groß genug gewachsen sind?

Wir suchen nach den fundamentalen Organisationsprinzipien, die robuste Strukturen aus ungeordneten oder homogenen Anfangszuständen entstehen lassen. Ein wichtiger Teil der Antworten auf die obigen Fragen liegt im Verständnis der Rückkopplungsschleifen zwischen verschiedenen Systemkomponenten. Im Ergebnis dieser Kopplung kann im Gesamtsystem ein Zustand höherer Ordnung entstehen, als die Komponenten einzeln beitragen. Diese Selbstorganisation und spontane Symmetriebrechung erscheinen für unsere an linearen Zusammenhängen geschulte Intuition manchmal paradox. Mittels mathematischer Modelle und numerischer Simulation sowie in enger Kooperation mit Experimentatoren sind die Fragen der räumlich-zeitliche Strukturbildung in Zellen und Geweben aber systematisch zu lösen.

Wir nutzen Modelle in Form nichtlinearer partieller Differentialgleichungssysteme sowie agenten-basierte Modelle. Vielfach ist die Kopplung von Mechanismen auf verschiedenen Skalen zu betrachten, von der Signalübertragung auf molekularer Skala hin zur Dynamik der Gewebeform auf makroskopischer Ebene. Diese komplexen Probleme werden als Morphodynamik bezeichnet und erfordern besondere numerische Methoden, wie sie in unserer nutzer-freundlichen Modellierungs- und Simulationssoftware Morpheus zur Verfügung gestellt werden: http://imc.zih.tu-dresden.de/wiki/morpheus

Partner

• Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden (MPI-PKS)
• Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik, Dresden (MPI-CBG)
• Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD)
• Paul-Langerhans-Institut Dresden (PLID)
• Rutgers University, Piscataway, USA
• Copenhagen University Danish Stem Cell Center, Kopenhagen, Dänemark

Förderung

Dieser Forschungsschwerpunkt wurde durch die Förderung der Nachwuchsforschergruppe SpaceSys im Rahmen des Programms FORSYS-Partner des BMBF initiiert.

ZIH-Kontakt

Dr. Lutz Brusch

Publikationen

• W. de Back, R. Zimm, L. Brusch. Transdifferentiation of pancreatic cells by loss of contact-mediated signaling. In: BMC Syst. Biol., 7, 77, 2013. [Link]
• W. de Back, J.X. Zhou, L. Brusch. On the role of lateral stabilization during early patterning in the pancreas. In: J. R. Soc. Interface, 10, 20120766, 2012. [Link]
• M. Kuecken, B. Rinkevich, L. Shaish, A. Deutsch. Nutritional resources as positional information for morphogenesis in the stony coral stylophora pistillata. In: J. Theor. Biol., 275, 1, 70 - 77, 2011. [Link]
• J.X. Zhou, L. Brusch, S. Huang. Predicting pancreas cell fate decisions and reprogramming with a hierarchical multi-attractor model. In: PLoS ONE 6, 3, e14752, 2011. [Link]
• E. Gin, E. M. Tanaka, L. Brusch. A model for cyst lumen expansion and size regulation via fluid secretion. In: J. Theor. Biol., 264, 1077-1088, 2010. [Link]