HFSP Research Grant und Fellowships für WissenschaftlerInnen am IST Austria

In einer überfüllten Bar bleibt einem oft nichts anderes übrig, als die Streitereien der Nachbarn anzuhören, statt der Geschichte des Partners zu folgen. Im ruhigen Wohnzimmer dagegen stören keine Nebengeräusche die Verständigung. Zellen stehen vor einem ähnlichen Problem: Sie erkennen, was um sie herum geschieht, und Signalmoleküle dienen dabei als Botschafter. Die Zelle ist allerdings wie eine überfüllte Bar – viele Signale werden gleichzeitig gesendet und reagieren zwangsläufig miteinander. Wie schlecht ist dieser sogenannte „Crosstalk“ für eine Zelle? Gašper Tkačik wird vom Human Frontiers Science Program (HFSP) durch einem Research Grant mit drei Jahren Laufzeit dabei unterstützt, diese Frage im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit untersuchen. Das Projekt wird mit einer Gesamtsumme von etwa 1 Million USD gefördert, diese Summe wird unter den Projektpartnern aufgeteilt.

Gašper Tkačik, Professor am Institute of Science and Technology (IST) Austria, ist Partner einer vom HFSP geförderten transatlantischen Kollaboration, die untersucht, wie Zellen das Problem des „Crosstalks“ bewältigen. In dem geförderten Projekt werden Principal Investigator Christian Landry, an der Université Laval, Quebec, Judit Villen, an der University of Washington, Seattle, und Gašper Tkačik am IST Austria ihre Expertise in theoretischer Biophysik, Proteomik und experimenteller Evolution verbinden, um diese Frage zum ersten Mal zu erforschen.

Bei den meisten biologischen Fragen konzentriert sich die Forschung auf eine oder wenige Komponenten, wie etwa ein einzelnes Molekül, eine Interaktion oder einen isolierten Signalpfad. „Crosstalk“ dagegen ist ein kollektiver Effekt, der nur auf der Ebene des Systems existiert. Aber auch solche kollektiven Phänomene werden von der Evolution geformt und selektiert. Dabei gibt es zwei Einschränkungen, biophysikalische und evolutionäre. Biophysikalische Einschränkungen limitieren die Möglichkeiten auf das, was in Anbetracht der physikalischen und chemischen Gesetze machbar ist, und bestimmen so den optimalen Zustand des Systems. Evolutionäre Einschränkungen bestimmen, ob die Evolution in der Praxis jemals diesen optimalen Zustand erreichen kann. Das kann auch unmöglich sein, zum Beispiel weil die natürliche Selektion nicht in der Lage ist, schädliche Mutationen vollständig zu beseitigen oder positive Mutationen permanent zu etablieren.

Aber wie formen diese Einschränkungen gemeinsam biologische Systeme? In dem vom HFSP-geförderten Projekt nutzen die drei Forschungsgruppen Signalnetzwerke in Hefezellen und untersuchen, wie sie von biophysikalischen und evolutionären Limits geformt werden. Die Forscher möchten ein theoretisches Modell erstellen. Mit diesem beschreiben sie die Evolution von Netzwerken unter biophysikalischen Einschränkungen, wie etwa nicht-spezifischen Phosphorylierungsereignissen, und unter evolutionären Einschränkungen, wie Mutationen, Drift und natürlicher Selektion. Dieses Modell wird ihre Experimente steuern, in denen sie planen, die Signalübertragung zu stören und die Auswirkung auf Proteine und die Fitness lebender Zellen zu messen. Im Gegenzug werden die Experimente Informationen an das Modell zurückmelden sodass festgestellt werden kann, wie weit evolutionäre Zwänge ein System von der Optimalität abbringen.

Die Evolutionsforschung eruiert wie sich ein System zu einem angenommenen Optimum entwickelt, definiert dieses biophysikalische Optimum aber nicht. Die theoretische Biophysik dagegen sagt voraus, was das Optimum ist, berücksichtigt aber nicht was die tatsächlichen evolutionären Wege zu einem solchen Optimum sind. In dem neuen Projekt bündeln die Gruppen ihre Expertise auf diesen beiden Gebieten, und werden erstmals untersuchen, wie biophysikalische und evolutionäre Kräfte biologische Systeme prägen. Das Human Frontier Science Program unterstützt Pionierforschung, wobei der Schwerpunkt auf unkonventionellen Forschungsideen liegt, deren Finanzierung durch andere Förderprogramme unwahrscheinlich ist. Tkačik, Landry und Villen werden durch einen Research Grant unterstützt. Dieser ermöglicht es WissenschaftlerInnen aus verschiedenen Ländern, an innovativen, interdisziplinären Projekten zusammen zu arbeiten, und neue Forschungsfelder zu eröffnen.

In der gleichen Förderrunde erhielten drei Postdocs am IST Austria Postdoctoral Fellowships des HFSP: Anton Sumser aus der Gruppe von Maximilian Jösch untersucht neuronale Netzwerke der Salienz und räumlichen Erkennung im oberen Kollikulus von Mäusen. Diana Pinheiro erforscht im Labor von Carl-Philipp Heisenberg die Koordination von Schicksalsspezifikation des Mesendoderms und der Internalisierung während der Zebrafisch-Gastrulation. Wiebke Jahr untersucht in der Gruppe von Johann Danzl die Rolle der Adhäsion während der 3D-Zellmigration mit Hilfe der Hochgeschwindigkeits-3D-Nanoskopie. Postdoc-Stipendien des HFSP unterstützen talentierte NachwuchswissenschaftlerInnen für drei Jahre und ermöglichen ihnen die Ausbildung in einem neuen Forschungsgebiet in einem herausragenden Labor.