P2: Integrated Science

Vom Einzelmolekül zum komplexen System

Wie entstehen komplexe biologische oder synthetische Systeme aus einfachen molekularen Grundbausteinen? In Zellen agieren Proteine in ihrer jeweiligen molekularen Mikroumgebung, den zellulären Mikrokompartimenten, deren Zusammensetzung und Funktion durch vielschichtige, hochdynamische Wechselbeziehungen bestimmt sind. Umfassende Analytik und quantitative Beschreibung sowie die Nachbildung und Manipulation dieser Prozesse auf nano- und mesoskopischer Skala kann nur durch ein Zusammenwirken verschiedener naturwissenschaftlicher Disziplinen erreicht werden. Die Profillinie „Integrated Science“ adressiert diese fundamentalen Herausforderungen über folgende methodische Ansätze:

• Identifizierung relevanter Moleküle in supramolekularen Mikrokompartimenten und die quantitative Charakterisierung von molekularen Strukturen und Wechselwirkungen.
• Entwicklung und Anwendung von Sonden und Mikroskopietechniken zur Beobachtung und zur kontrollierten Manipulation von Molekülen im komplexen zellulären Kontext mit höchster zeitlicher und räumlicher Auflösung.
• Rekonstitution von Teilfunktionen komplexer Prozesse anhand biomimetischer und synthetischer Systeme unter kontrollierten Bedingungen.
• Konzeption theoretischer Modelle und Simulation der Wechselwirkungen von Komponenten mit und in dynamischen Systemen.

Diese Ansätze werden ein mechanistisches Verständnis komplexer Systeme ermöglichen und dadurch neue Möglichkeiten für systematische Kontrolle und für die Konzeption neuartiger Funktionalitäten eröffnen. An der Profillinie sind insgesamt knapp 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Fächern Biologie, Chemie und Physik sowie Mathematik und Kognitionswissenschaften beteiligt. Zusammenarbeiten mit der Hochschule Osnabrück sowie den Nachbaruniversitäten Bielefeld, Münster und Oldenburg bestehen bereits und sollen im Rahmen gemeinsamer Initiativen weiter ausgebaut werden.

Ausgangslage und Vorarbeiten

„Integrated Science“ baut auf zahlreichen Drittmittelprojekten, koordinierten Programmen und Investitionsmaßnahmen mit häufig fächerübergreifendem Charakter auf. Die Analyse der dynamischen Organisation von Biomolekülen in funktionalen zellulären Strukturen ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der  Biologie in Osnabrück, der seit 2011 im Sonderforschungsbereich  SFB 944 „Physiologie und Dynamik zellulärer Mikrokompartimente“ gefördert wird. Das  Zentrum für Physik und Chemie Neuer Materialien steht für interdisziplinäre Ansätze der Fachgebiete  Chemie und  Physik auf dem Gebiet synthetischer Nanomaterialien. Mit dem von Land und Bund geförderten Forschungsbau  „Zentrum für Zelluläre Nanoanalytik“ (CellNanOs) steht allen beteiligten Arbeitsgruppen ein gemeinsame Forschungsinfrastruktur zur interdisziplinären Methodenentwicklung zur Verfügung. Ein Kernstück des CellNanOs ist das von der DFG geförderte, integrierte Bioimaging Gerätezentrum  iBiOs, das modernste Methoden zur höchstaufgelösten Bildgebung über den Standort hinaus bereitstellt. Darüber hinaus wurden und werden mehrere EU- und DFG-Programme und Forschungsprojekte von Osnabrücker Biologen (Marie Curie ITN SPHINGONET, DFG-Schwerpunktprogramm 1316 „Wirtsadaptierter Metabolismus bakterieller Infektionserreger“), Chemikern (ERC Consolidator Grant 2015 „Insect-inspired capillary nanostamping“) und Physikern (COST Action CM1104) koordiniert. Zusätzlich wird die Thematik „Integrated Science“ derzeit durch eine Heisenbergprofessur (Physik) und eine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe (Physik) unterstützt.

Forschungsinitiativen

Durch komplementäre Forschungsverbünde soll eine bessere Vernetzung und Synergie der verschiedenen methodischen Ansätze innerhalb der Profillinie sichergestellt werden:

• Weiterentwicklung der zentralen Thematik „zellulärer Mikrokompartimente“ des  SFB 944 in Richtung komplexerer biologischer Systeme und ihrer Adaptionsmechanismen.
• Aufbau des fächerübergreifenden  Forschungszentrums CellNanOs zur Entwicklung und Anwendung neuer Methoden in der zellulären Nanoanalytik.
• Eine interdisziplinäre  Forschungsinitiative zur Anwendung von Nanomaterialien in der Zellbiologie.
• Eine interdisziplinäre Forschungsinitiative zur Untersuchung molekularer Elektronenspinsysteme im Hinblick auf biologische Fragestellungen und Anwendungen in Quantentechnologien.