Erwin Frey will die Zeitrichtung in lebendem Gewebe entschlüsseln
Internationales Forschungskonsortium ALIVE hat eine Förderung von 10 Millionen Euro eingeworben.
Die Novo Nordisk Foundation fördert ein internationales Konsortium unter Beteiligung des Münchener Theoretikers Erwin Frey, um die physikalischen Grundlagen zu erarbeiten, mit denen sich vorhersagen – und steuern – lässt, wie sich lebendes Gewebe bildet und funktionsfähig bleibt. Rund ein Viertel der Fördersumme – etwa 2,5 Millionen Euro – entfällt dabei auf die LMU.
Lebendes Gewebe gehört zu den bemerkenswertesten Systemen der Natur. Tausende von Zellen koordinieren sich – ohne zentrale Steuerung und ohne festen Bauplan. So schafft es der menschliche Körper, einen Embryo zu bilden, die Darmschleimhaut Tag für Tag zu erneuern oder, wenn diese Koordination zusammenbricht, Krankheiten wie Krebs zu entwickeln. Wie Zellen diese kollektive Meisterleistung vollbringen und warum sie dabei manchmal scheitern, bleibt eine der großen offenen Fragen an der Schnittstelle von Physik und Biologie.
Das Forschungskonsortium ALIVE – Center for Active Living Matter (Information, Vitality, and Emergence) – will diese Frage mit der Förderung der Novo Nordisk Foundation beantworten. Zu den vier leitenden Forschenden gehört Professor Erwin Frey, theoretischer Physiker am Arnold-Sommerfeld-Zentrum für Theoretische Physik der LMU München und Mitglied im Exzellenzcluster ORIGINS.
In den nächsten sechs Jahren wird das Team daran arbeiten, die physikalischen Gesetze hinter der Selbstorganisation von Gewebe aufzudecken und sie in praktische Werkzeuge umzuwandeln, um vorherzusagen – und letztendlich zu steuern – wie sich ein Gewebe entwickelt: ob es wächst, heilt oder abstirbt.
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„Die klassische Physik beschreibt Systeme über ihre Gleichgewichtszustände – lebendes Gewebe funktioniert aber gerade deshalb, weil es fern vom Gleichgewicht bleibt“, sagt Frey. „Deshalb entwickeln wir dafür einen eigenen theoretischen Rahmen: mathematische Werkzeuge, die die Zeitrichtung des Lebens aus experimentellen Daten quantifizieren und beschreiben, entlang welcher weniger Größen sich ein Gewebe tatsächlich organisiert.“
Der Ausgangspunkt ist eine einfache, aber kraftvolle Idee: Lebende Systeme befinden sich niemals wirklich in Ruhe. Sie verbrauchen ständig Energie und das verleiht ihnen eine inhärente zeitliche Richtung. Ein gesundes Gewebe, das sich entwickelt oder selbst repariert, sieht unverkennbar anders aus als eines, das in umgekehrter Richtung arbeitet, genauso wie ein Film von zerbrechendem Glas offensichtlich falsch wirkt, wenn er rückwärts abgespielt wird. ALIVE geht davon aus, dass diese Zeitrichtung kein bloßer Nebeneffekt ist, sondern ein messbarer Fingerabdruck der Organisation lebender Materie – und, was entscheidend ist, ein Ansatzpunkt, der zu ihrer Steuerung genutzt werden kann.
Um dies wissenschaftlich fundiert zu untermauern, wird das Konsortium die „Informationsflüsse“ verfolgen, die Zellen über Kräfte, chemische Signale und Genaktivität austauschen, und nachverfolgen, wie sich diese Flüsse über verschiedene Skalen hinweg ausbreiten – von einzelnen Molekülen innerhalb einer Zelle bis hin zur Mechanik eines gesamten Gewebes.
Das Team wird seine Ideen an vier sich ergänzenden biologischen Systemen testen, die zusammen die gesamte Geschichte der Mehrzelligkeit abdecken: Seeschwämme, die zu den ältesten mehrzelligen Tieren zählen; menschliche Embryoide, im Labor gezüchtete Modelle der frühen Entwicklung; Darmorganoide, sich selbst erneuernde „Miniaturdärme“; und Organoide von Darmkrebs, Modelle von Krankheiten. Freys Gruppe liefert das theoretische Rückgrat. Konkret entwickelt das Team die Verfahren, um diese Zeitrichtung direkt aus Messdaten abzulesen – etwa aus Wahrscheinlichkeitsströmen und gerichteten Informationsflüssen, wie sie sich aus Langzeit-Bildgebung sowie aus Kraft- und Genaktivitätsmessungen gewinnen lassen. [LMU / dre]
