spBIGDATA_Mathematische und physikalische Modellierung von Einzelteilchentrajektorien - Big Data Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Metzler
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380893586

In einer kurzen Fuenfjahresperiode wurden kuerzlich drei Nobelpreise vergeben (2009 in Physiologie oder Medizin sowie 2012 und 2014 in Chemie), die eng mit den biologischen Mechanismen in lebenden Zellen sowie fluoreszenzbasierten, mikroskopischen Beobachtungsmethoden dieser Mechanismen zusammenhaengen. Diese Entwicklung hat weltweit zu einem dramatischen Anstieg experimenteller und theoretischer Ergebnisse in der Erforschung lebender Zellen gefuehrt. Schlussendlich hat die Verfuegbarkeit quantitativer Daten viele Wissenschaftler in der Physik und angewandten Mathematik dazu gebracht, einzelnze biologische Zellen und physiologische Prozesse in diesen zu erforschen. Die Beteiligung von Physikern und Mathematikern hat zu einem neuen Niveau des Verstaendnisses biologischer Systeme gefuehrt. Das vorliegende Projekt soll zu diesem zunehmend quantitativen Ansatz zu den fundamentalen Prozessen lebender Systeme beitragen und einen wichtigen neuen Rahmen schaffen, die vielfaeltig beobachteten anomalen dynamischen Prozesse in Zellen zu verstehen.Die Konzepte der anomalen Diffusion und fraktionaler Dynamik sind mittlerweile in die statistische und chemische Physik vorgedrungen, jedoch sind diese Themen auch zu einem wichtigen Feld in der Mathematik geworden. Gleichzeitig hat das Europaeische Laboratorium fuer Molekularbiologie (EMBL) diesen September eine erste Konferenz zum Thema Big Data in Biologie und Gesundheit organisiert. Die Zielrichtung dieser zeitgerechten und interdisziplinaeren Konferenz war, die europaeischen Wissenschaftgemeinschaft zu unterstuetzen und in Richtung zukuenftiger Entwicklungen der Erforschung von Big Data zu bewegen, sowie das Bewusstsein fuer diese neue und relevante Forschungsrichtung in den Lebenswissenschaften zu schaffen. Im Hinblick auf die oben genannten Herausforderungen in der Big Data Analyse von Einzelteilchentrajektorien, aber auch hinsichtlich der zu erwartenden Aufnahme Polens in das EMBL in 2017 schlagen wir die folgenden Forschungsaufgabenstellungen vor:T1. Weiterentwicklung der mathematischen Theorien (transienter) anomaler DiffusionT2. Entwicklung harter statistischer Interferenzmethoden, welche auf Einzelteilchentrajektoriendaten zugeschnitten sindT3. Bestimmung, Validierung und Vorhersage anomaler Dynamik in lebenden Zellen, basierend auf Big DataWir sind ueberzeugt, dass das erfolgreiche Verstaendnis dieser interdisziplinaeren Aufgabenstellungen zu zahlreichen interessanten Entdeckungen sowohl in der Mathematik als auch in Physik und Biologie fuehren wird. Dieses Verstaendnis wird uns auch erlauben, passende Modellansaetze zu identifizieren und anomale Prozesse in lebenden Zellen im Zeitalter von Big Data zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartner: Professor Krzysztof Burnecki, Ph.D.; Professor Marcin Magdziarz, Ph.D.; Professor Janusz Szwabinski, Ph.D.; Professor Aleksander Weron, Ph.D.