Entstehung des Entwicklungstempos eines Stammzellzoos durch die Organisation seiner biomolekularen Kondensate

• Antragsteller: Dr. Alberto Hernandez Armendariz
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560872005

Das Leben ist sehr dynamisch. Jede Lebensform erlebt die Zeit anders. Größere Tiere haben zum Beispiel tendenziell langsamere physiologische Zeiten, wie längere Trächtigkeitszeiten, längere Lebensspannen und längere Herzzyklen. Das Tempo der Embryogenese bei Säugetieren korreliert jedoch nicht mit der Masse des Organismus. Stattdessen korreliert sie mit der Geschwindigkeit ihrer zellautonomen biochemischen Reaktionen, wie der mRNA-Verarbeitung und dem Proteinabbau. Mit anderen Worten: Je schneller ein Säugetier seine RNAs verarbeitet und seine Proteine abbaut, desto schneller ist seine Embryogenese. Unklar bleibt jedoch der raum-zeitliche Mechanismus, durch den unterschiedliche biochemische Reaktionsgeschwindigkeiten zustande kommen. Ein plausibler Mechanismus könnte darauf beruhen, wie die verschiedenen Arten ihre intrazellulären Reaktionen organisieren. Kürzlich wurde gezeigt, dass biomolekulare Kondensate enzymatische Reaktionen dynamisch fördern oder hemmen können. Daher soll in dem vorgeschlagenen Projekt untersucht werden, ob die biochemischen Reaktionsgeschwindigkeiten und der Entwicklungszeitpunkt durch die intrazelluläre Organisation von biomolekularen Kondensaten reguliert werden können. Dazu charakterisieren wir pluripotente Stammzellen aus verschiedenen Säugetiergruppen - unseren sog. Stammzell-Zoo ("stem cell zoo") - bereitgestellt von der Arbeitsgruppe von Miki Ebisuya (Physik des Lebens TU Dresden). Diese Stammzellen differenzieren wir in Gewebe aller drei Keimblätter und analysieren sie mithilfe hochauflösender Multiplex-Bildgebungsverfahren, maschinellem Lernen und Omics-Ansätzen, um diese nachfolgend in theoretische Modelle einzubetten. Diese Arbeiten erfolgen in Zusammenarbeit mit den Gruppen Hyman, Sbalzarini und Toth-Petroczy am MPI-CBG und am CSBD. Ziel dieses Projekts ist es, durch den quantitativen Vergleich der Organisation biomolekularer Kondensate und ihrer thermodynamischen Strukturen die fundamentalen Prinzipien aufzudecken, die die biochemischen Reaktionsgeschwindigkeiten und das Entwicklungstempo bestimmen. Die gewonnenen Erkenntnisse versprechen nicht nur ein tieferes Verständnis der Entwicklungs- und Evolutionsprozesse, sondern geben auch wertvolle Impulse für die Erforschung biologischer Phasenübergänge sowie zur Optimierung maschineller Lernalgorithmen und Hochdurchsatzmethoden, die in der Zukunft auf andere biologische Systeme übertragen werden können.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle