Gewebephasenübergang und Embryo-Musterbildung

• Antragstellerin: Professorin Nicoletta Petridou, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Biophysik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518354236

Emergente kollektive Eigenschaften sind ein Kennzeichen komplexer Systeme, deren makroskopisches Verhalten sich nicht direkt aus dem Verhalten ihrer mikroskopischen Bausteine ableiten lässt. Die Embryonalentwicklung ist ein paradigmatischer Fall eines komplexen Systems: Verhaltensweisen auf der Ebene des Gewebes ergeben sich aus mikroskopischen molekularen und zellulären Interaktionen. Die Entwicklung verschiedener multizellulärer Systeme, einschließlich Tumoren, Organen und Embryonen, beruht auf einer grundlegenden makroskopischen Eigenschaft, dem Zustand des Gewebematerials. Es hat sich gezeigt, dass sich der Zustand der Gewebematerialien während der Entwicklung aktiv und dramatisch verändert, ähnlich wie bei Phasenübergängen in der Physik. Ob diese emergente Eigenschaft - die nur auf Gewebeebene existiert - andere Entwicklungsprozesse aktiv reguliert oder ob es sich um ein Epiphänomen handelt, das sich aus unvermeidlichen zellulären Veränderungen ergibt, ist unbekannt. Die diesem Projekt zugrunde liegende Hypothese ist, dass es eine kausale Rückkopplung zwischen dem emergenten materiellen Gewebezustand und dem embryonalen Prozess der Zellschicksalsspezifikation gibt. Um diese Hypothese zu testen, wollen wir: i) den zentralen zellulären Mechanismus entschlüsseln, der die Eigenschaften des Gewebematerials bestimmt, ii) Instrumente entwickeln, um den entstehenden Zustand des Gewebematerials auf der Grundlage des identifizierten zellulären Mechanismus präzise zu steuern, und iii) mechanistisch untersuchen, wie der Materialzustand die Spezifikation des Zellschicksals beeinflusst. Wir benötigen daher eine Methodik, die speziell auf den Gewebezustand des (Zebrafisch)-Embryos abzielt. Zu diesem Zweck werden wir auf unsere frühere Zusammenarbeit aufbauen, bei der wir einen Rahmen entwickelt haben, der die Phasen des Gewebematerials im lebenden Organismus sowohl räumlich als auch zeitlich quantitativ untersucht und daher mit embryologischen Techniken kombiniert werden kann, um den Erwerb des Zellschicksals zu untersuchen. Wir wollen zell- und entwicklungsbiologische Experimente, optogenetische Technik, Computersimulationen und Konzepte der Netzwerktheorie und statistischen Physik miteinander verbinden. Die Synergie zwischen den verschiedenen Disziplinen wird zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen führen, die kollektiven Verhaltensweisen in der Entwicklung zugrunde liegen. Es wird einen methodischen Fortschritt auf dem Gebiet der Gewebedynamik bedeuten, indem es neuartige rechnerische und experimentelle Werkzeuge hervorbringt, die für ein breites Spektrum multizellulärer Systeme relevant sind. Außerdem wird es ein einzigartiges Beispiel für die quantitative Verknüpfung von Größenordnungen in der Biologie liefern. Schließlich wird die Möglichkeit, emergente Eigenschaften auf der Gewebeskala zu kontrollieren, Möglichkeiten für die Bereiche Organentwicklung und regenerative Medizin eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Bernat Corominas-Murtra