Mathematik in den Lebenswissenschaften

Vasily Zaburdaev

Willkommen bei der Forschungsgruppe Mathematik in den Lebenswissenschaften

Unsere Gruppe entwickelt theoretische Modelle, um komplexe biologische Phänomene und ihre Auswirkungen auf Krankheiten zu verstehen. Das Team verfügt über Fachwissen in theoretischer Biophysik, statistischer Physik und numerischen Methoden und arbeitet eng mit experimentellen Gruppen zusammen. Die Gruppe interessiert sich für Organisationsprinzipien, die in verschiedenen Größenordnungen wirken, vom Chromatin im Zellkern bis hin zu multizellulären Aggregaten. Ansätze aus der Theorie stochastischer Prozesse und der Kontinuumstheorie der aktiven Hydrodynamik werden dabei genutzt. Der Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis der physikalischen Mechanismen, die komplexe biologische Systeme außerhalb des thermischen Gleichgewichts steuern. Unser wachsendes Interesse gilt der quantitativen Beschreibung von immunologischen und entzündlichen Prozessen.

 

Überblick über die Forschung

Unsere Vision ist es, Konzepte der statistischen Physik und Nicht-Gleichgewichtsphänomene zu nutzen, um Modelle zu entwickeln, die Analogien und allgemeine Verhaltensweisen in biologisch sehr unterschiedlichen Systemen aufzeigen können. Im Folgenden werden die drei beispielhaften Forschungsbereiche zur Veranschaulichung unserer Ansätze vorgestellt.

 


Bakterielle Biofilme als komplexe Materialien

Biofilme sind dichte multizelluläre Gemeinschaften von Bakterien, die sich auf Oberflächen bilden. Biofilme sind in der Natur weit verbreitet und werden oft mit akuten medizinischen und industriellen Problemen in Verbindung gebracht. In Biofilmen sind Bakterien in einer selbstsezernierten extrazellulären Matrix eingeschlossen, was sie zu einem komplexen lebenden Material macht. Unser Ziel ist es, die Biophysik von bakteriellen Biofilmen zu verstehen und ihre mechanischen Eigenschaften mit biologischen Funktionen zu verknüpfen. Eines unserer jüngsten Projekte ist die Untersuchung des Prozesses der Wundheilung in Biofilmen. Die Fähigkeit, Wunden zu verschließen, ist ein Markenzeichen eukaryontischer Gewebe. Um die Gewebeanalogie im Zusammenhang mit Biofilmen zu erforschen, interessieren wir uns dafür, wie sich Bakterien von einer Schädigung erholen. Siehe zum Beispiel unsere jüngsten Arbeiten (Zusammenarbeit mit dem Chai-Labor, HUJ).


 

Immunophysik

Physikalische Interaktionen spielen eine Schlüsselrolle bei der Fähigkeit von Immunzellen, auf die Bedrohung durch Krankheitserreger zu reagieren. Wir untersuchen die gesamte Kette von Ereignissen, die abäuft, wenn dendritische Zellen ein Gefahrensignal wahrnehmen, beginnen zu wandern, um es den T-Zellen zu präsentieren, mit diesen interagieren, um schließlich eine gezielte Immunantwort zu aktivieren. Physikalische Interaktionen sind häufig auch die Ursache für die Immunantwort eines Wirts auf Krankheitserreger wie Bakterien oder Helminthen, – ein weiteres aktuelles Projekt unserer Gruppe. Auf zellulärer Ebene bestimmen eine äußerst umfassende Dynamik und Aktivität der menschlichen Immunsystemzellen ihre Schutzfunktion, wie z. B. die Resident Tissue Macrophages (RTMs). Siehe dazu unser jüngstest Preprint-Paper in Zusammenarbeit mit dem Uderhardt-Labor, FAU)


 

Statistische Physik von aktiven Systemen

Um komplexe biologische Prozesse besser zu verstehen, müssen oft konzeptionell neue theoretische Ansätze der statistischen Physik entwickelt werden. Unser Schwerpunkt liegt auf aktiven Systemen außerhalb des thermischen Gleichgewichts. Dazu gehören die Prozesse der aktiven Partikelaggregation, für die wir kürzlich das Konzept der aktiven Hydrodynamik vorangetrieben haben (zusammen mit der Gruppe von Frank Jülicher, MPI-PKS), oder das Modell der aktiven Mikroemulsion, das sich als vielseitiges Modell zur Beschreibung der Organisation von Chromatin im Zellkern als Ergebnis der Transkriptionsaktivität erweist (zusammen mit dem Hilbert-Labor, KIT).


 

Unsere Wissenschaftlerinn und Wissenschaftler

Principle Investigator Professor Vasily Zaburdaev

"Die Stärke theoretischer Modelle in der Biologie besteht darin, dass sie helfen, überraschend unterschiedliche und weit voneinander entfernte biologische Phänomene miteinander zu verbinden."

 


Max-Planck-Zentren und -Schulen