Vermessung der molekularen Struktur komplexer Gewebe mittels räumlicher Kovarianztensoren

• Antragsteller: Dr. Simon Mages
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442489549

Entwicklungen der letzten zehn Jahre in der Molekularbiologie haben es ermöglicht, viele Eigenschaften einzelner Zellen in Geweben zu untersuchen, z.B. ihre Erbinformation (Genomik), deren „Arbeitsabschriften“ in den Zellen (Transkriptomik) und ihre Proteinausstattung (Proteomik). Diese "Omiks" lassen sich z.B. nutzen, um alle Zellen des Menschen zu charakterisieren und in Typen einzuteilen, wie das im internationalen Human Cell Atlas Projekt bereits gemacht wird. Die Ergebnisse dienen als Grundlage dafür, gesundes Gewebe und Krankheiten besser zu verstehen und Therapien zu entwickeln. Für diese molekularen Untersuchungen einzelner Zellen musste bis vor kurzem das zu analysierende Gewebe in seine Zell-Bestandteile aufgelöst und jede Zelle isoliert untersucht werden. Dabei verliert man jedoch Information über die räumlichen Beziehungen von Zellen, die deren Möglichkeit zur wechselseitigen Beeinflussung prägt. Solche Wechselwirkungen zwischen Zellen sind jedoch von überragender Bedeutung für das Wachstum, die Struktur und Funktion von Geweben und für bestimmte Krankheiten wie Auto-Immunerkrankungen und Krebs, die durch gestörte oder fehlgeleitete Kommunikation zwischen Zellen charakterisiert sind. Seit einigen Jahren werden nun verstärkt experimentelle Methoden entwickelt, mit denen man Omik an Zellen im intakten Gewebe durchführen kann. Die so gewonnenen Daten beinhalten mit den räumlichen Abhängigkeiten eine ganz neue Qualität an Information, die es möglichst vollständig zu nutzen gilt. Die Methoden zur Analyse dieser Daten sind momentan aber noch deutlich weniger weit entwickelt, als für reine Einzelzelldaten ohne räumliche Komponente. In diesem Projekt sollen Methoden aus einem oberflächlich betrachtet völlig anderen Bereich der Wissenschaft für diese Analysen rekrutiert werden: aus der Gitterquantenfeldtheorie, einem Teilbereich der theoretischen Physik. Dort sind Daten mit räumlichen Zusammenhängen seit Jahrzehnten gang und gäbe und es wurden dort viele Methoden entwickelt, um diese Daten optimal auszunutzen. Die Daten aus beiden Feldern haben einen wichtigen Aspekt gemein: räumliche Korrelationen stellen die Grundlage der beobachteten Phänomene dar. In der Gitterquantenfeldtheorie sind das Elementarteilchenzustände und in den räumlich aufgelösten Omiks Zellzustände oder -programme, die ihren Einfluss über Zellgrenzen hinaus geltend machen und so das Gesamterscheinungsbild eines Gewebes entscheidend prägen. Im Projekt geht es im Wesentlichen um die Erweiterung von Einzelzell-Kovarianzmatrizen zu räumlichen Kovarianztensoren, sowie deren Berechnung, Modellierung und Analyse, um eben diese räumlichen Zellprogramme zu entschlüsseln. Dabei wird auch eine Methode entwickelt, mit der man räumlich aufgelöste Omik-Daten simulieren kann, um Analysemethoden zu testen und Experimente z.B. für die oben erwähnten Atlasprojekte besser planen zu können.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Dr. Aviv Regev, Ph.D.