Molecular and Cellular Information Processing

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Kurz und bündig

Schon eine einzige Zelle ist vergleichbar einem kleinen Computer: Sie detektiert biochemische Signale von außen, verarbeitet diese und gibt neue Signale ab. Darüber hinaus verfügen Verbände aus lebenden Zellen in der Biologie – von einfachen Schwämmen bis zum menschlichen Gehirn – über eine vernetzte und hochkomplexe Informationsverarbeitung.

Jülicher Wissenschaftler:innen entschlüsseln im Topic „Molecular and Cellular Information Processing“ grundlegende Mechanismen dieser biologischen Kommunikation und nutzen die Ergebnisse für neue Therapie- und Diagnoseansätze sowie zukunftsweisende Hard- und Softwarelösungen.

Herausforderungen

Die Vorhersage wie Proteine gefaltet sind, ist in den vergangenen Jahren durch neue experimentelle Methoden und auch dank Künstlicher Intelligenz revolutioniert worden. Wie jedoch Proteine untereinander oder in Zellverbänden und Signalnetzwerken interagieren, ist Gegenstand intensiver Forschung. Gleiches gilt für Zellen und ihre verschiedenen Signalwege und die offene Frage, wie sie den Transport von Signalproteinen und Botenstoffen orchestrieren. Und was geschieht, wenn dabei Fehler auftreten.

Auch die molekularen Mechanismen, die der Speicherung und Kodierung von Informationen im Gehirn zugrunde liegen, sind komplex. Die Herausforderung ist, ein tieferes Verständnis der Dynamik, Interaktionen und der räumlich-zeitlichen Organisation auf molekularer Ebene zu erlangen. Damit können Antworten auf drängende medizinische, biotechnologische, neuro- sowie informationswissenschaftliche Fragen gefunden werden.

Lösungen

Jülicher Forschende arbeiten daran, die zellulären und molekularen Mechanismen der biologischen Informationsverarbeitung bis ins atomare Detail zu entschlüsseln. Der Fokus liegt hier auf der Kommunikation in und zwischen Zellen sowie Zellverbänden durch chemische und elektrische Signale. Dazu erforschen die Jülicher Wissenschaftler:innen die Eigenschaften einzelner Moleküle und Proteine und untersuchen, wie diese interagieren und zelluläre Funktionen bestimmen. Dabei werden auch gesunde, pathologische und altersbedingte Mechanismen verglichen und neue Therapie- und Diagnoseansätze entwickelt.

Ein Schwerpunkt der Jülicher Expert:innen ist es, fehlerhafte Interaktionen und fehlgefaltete Strukturen zu erkennen, welche zu Krankheit und Alterung führen. Das Ziel: die Wechselwirkungen zu verstehen und die dreidimensionalen Strukturen der beteiligten Protein-Komplexe möglichst in atomarer Auflösung zu bestimmen. Aus diesen Erkenntnissen entwickeln die Forschenden neuartige Verfahren zur Früherkennung und zur Therapie neurodegenerativer Erkrankungen mit einem starken Fokus auf der Alzheimer’schen Demenz.

Um ein umfassendes Bild der hier beteiligten Prozesse zu erhalten, kombinieren die Jülicher Teams Experimente und Simulationen. Dies erlaubt, den Aufbau von einzelnen Proteinen, Proteinkomplexen und Zellen mit ihrer Funktion zu verknüpfen, und ist eine Voraussetzung dafür, - als rationaler Behandlungsansatz für Krankheiten - Proteinfunktionen intelligent zu modifizieren. Das ultimative Ziel dieser Arbeiten ist, zelluläre Algorithmen und Rechenregeln von Zellnetzwerken zu verstehen.

Ein weiteres Ziel ist es, zu verstehen, wie Zellen sich fortbewegen, an ihrer Umgebung haften oder Kräfte auf Nachbarzellen ausüben. Daraus schließen die Forschenden, wie die Wechselwirkungen von Zellen beispielsweise zur Bildung von Netzwerken führen, wie diese ihre Eigenschaften plastisch verändern und somit die Grundlagen für Lernen und Erinnerung bilden.

Die Jülicher Expert:innen erforschen zudem die Verbindung zwischen biologischen und elektronischen Systemen, unter anderem zur Herstellung von hochempfindlichen Sensoren. Damit lassen sich zum Beispiel Schadstoffe aufspüren oder Implantate entwickeln, die zerstörte Sinneszellen ersetzen. Ein aktuelles Beispiel der Jülicher Forschung ist ein intelligenter Biochip, der die Netzhaut des Auges nachahmt. Solche und ähnliche Bioelektronik könnte in Zukunft als Neuroimplantat dienen oder sogar als künstliche Synapse fungieren. Auch die Computertechnik profitiert. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind solche Chips prädestiniert dafür, als Hardware für künstliche neuronale Netze zu dienen.