Im Forschungsverbund SCALE (Englisch: SubCellular Architecture of LifE) erforschen Forscherinnen und Forscher die Struktur der menschlichen Zelle und die grundlegenden molekularen Selbstorganisationsprinzipien der Zellen. Der menschliche Körper besteht aus Billionen von spezialisierten Zellen. Dabei ist jede dieser Zellen dicht gepackt mit Molekülen, die verschiedene Aufgaben haben wie zum Beispiel biochemische Reaktionen ausführen, Energie umwandeln oder Signale weiterleiten. Um diese vielfältigen und gleichzeitig so unterschiedlichen Funktionen zu erfüllen, sind Zellen in spezialisierte Bereiche, so genannte Kompartimente unterteilt. Dazu zählen Zellorganellen wie der Zellkern, die Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum. Kompartimente besitzen eine charakteristische molekulare Zusammensetzung und dynamische Strukturen, die sich kontinuierlich den wechselnden Bedürfnissen der Zelle sowie äußeren Einflüssen anpassen und dabei auch untereinander kommunizieren. Die Kommunikation ist essenziell für alle physiologischen Prozesse – von der Signalweiterleitung und Stressbewältigung bis hin zum Zelltod. Trotz erheblicher Fortschritte in der Erforschung des zellulären Innenlebens ist nach wie vor unklar, wie Kompartimente entstehen, ihre Struktur beibehalten, sich flexibel anpassen und als funktionale Einheiten miteinander interagieren, um subzelluläre Strukturen zu bilden. Daher ist es nach wie vor unmöglich vorherzusagen, wie sich die subzelluläre Architektur bei zellulärem Stress verändert, beispielsweise bei neurodegenerativen Erkrankungen oder beim Altern.
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler den Inhalt zellulärer Kompartimente zwar kartiert und ihren mikroskopischen Aufbau beschrieben, aber wie genau sie gebildet und dynamisch umgebaut werden, ist unverstanden. Hier setzt SCALE an: Der Forschungsverbund vereint Experten aus den Bereichen Computer-, Struktur-, Mikro- und Zellbiologie, Neurowissenschaften, Biochemie und Physik mit dem gemeinsamen Ziel, detaillierte Einblicke in die Organisation, Kommunikation und Dynamik subzellulärer Strukturen zu gewinnen. Eine der innovativsten Methoden von SCALE ist die Entwicklung digitaler Zwillinge (Englisch: Digital Twin) subzellulärer Segmente. Diese digitalen Zwillinge basieren auf der Integration von Erkenntnissen aus verschiedenen experimentellen Ansätzen, den Einsatz von Hochleistungsrechnern und maschinellem Lernen und ermöglichen es, das Verhalten subzellulärer Strukturen und später auch ganzer Zellen präzise zu modellieren und vorherzusagen.
Titelbild der Zeitschrift Cell, Illustration der verschiedenen Kompartimente einer Zelle von David S. Goodsell in Kooperation mit Dan Klionsky
Unser Ziel ist es, die faszinierende Welt der Zelle direkt vor unseren Augen lebendig werden zu lassen – mit Hilfe digitaler Zwillinge. Ein digitaler Zwilling ist dabei weit mehr als eine einfache Darstellung; es ist eine interaktive Abbildung einer echten Zelle in Aktion. Digitale Zwillinge werden in einem dreistufigen Prozess erstellt: Aufbau – Simulation – Evaluation. Dieser iterative Prozess wird kontinuierlich verbessert und optimiert, um zelluläre Prozesse in virtuellen Umgebungen zu visualisieren, zu modifizieren und zu steuern. Die digitalen Zwillinge eröffnen uns die Möglichkeit, in die spannende molekulare Welt der Zellen einzutauchen, Veränderungen vorzunehmen und die Entwicklung einer Zelle über die Zeit mitzuerleben. Die vielfältigen Funktionen der Zelle und die unglaubliche Präzision und Komplexität subzellulärer Strukturen können somit direkt „erlebt“ werden. Noch stehen wir am Anfang dieser wissenschaftlichen Reise. Doch der erste Schritt ist bereits getan - unsere erste Augmented Reality-Zelle wurde entwickelt. Auf dem eigenen Handy wird der digitalen Zwilling einer Zelle sichtbar! Einmal im Inneren der Zelle, kann man mit einem einfachem Klick herausfinden, welche Aufgabe jeder einzelne molekulare Baustein erfüllt, oder sich ganz frei in dieser faszinierenden Miniaturwelt bewegen. Die digitale Reise in die Zelle wir zu einem Erlebnis, das Wissenschaft greifbar macht!
Wer mehr erfahren möchte und eine Reise in die erste digitale Zelle erleben möchte, ist herzlich eingeladen den QR Code zu scannen und in die faszinierende Welt der Zelle einzutauchen!
Prof. Michaela Müller-McNicoll und Prof. Martin Beck berichten im UniReport, wie sie den Entscheidungstag erlebt haben und welche nächsten Schritte für den Exzellenzcluster SCALE geplant sind.
Die Ziele, Visionen und die Bedeutung des Forschungverbundes SCALE stellt Prof. Müller-McNicoll, Sprecherin von SCALE, in diesem Übersichtsartikel im UniReport vor.
In dem Video spricht Prof. Pos mit Hessen schafft Wissen über seine Forschung an Antibiotikaresistenzen von Bakterien. Bei resistenten Bakterien führt die Behandlung mit Antibiotika nicht zum erhofften Erfolg, die Bakterien sterben nicht bzw. ihr Wachstum wird nicht gehemmt. Prof. Pos widmet sich der Frage, wie die dafür verantwortlichen Auswärtspumpen gehemmt werden können.
Prof. Frangakis stellt im UniReport seine Forschung vor, in der er mit Hilfe von Kryo-Elektronentomographie unter anderem Mykoplasmen, die Infektionen der Atemwege oder des Genitaltrakts verursachen, mit einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich darstellen kann.
