Zwei ERC Starting Grants und ein ERC Consolidator Grant für IST Austria

Biochemiker Martin Loose, seit Januar 2015 Assistant Professor am IST Austria, und Entwicklungsbiologin Anna Kicheva, die im November 2015 als Assistant Professor ans IST Austria kam, erhielten jeweils eine Zusage des European Research Council für einen ERC Starting Grant. Computerwissenschaftler und Kryptograph Krzysztof Pietrzak, Assistant Professor seit 2011, wird mit einem ERC Consolidator Grant gefördert.

IST Austria Präsident Thomas Henzinger gratuliert: „ERC Grants werden in einem hochgradig kompetitiven Verfahren vergeben und stellen einen Maßstab für Forschungsexzellenz dar. Ich beglückwünsche Krzysztof Pietrzak, Anna Kicheva und Martin Loose zu ihrem Erfolg. Dass mittlerweile 20 von 40 ProfessorInnen durch ERC Grants gefördert werden, spricht für den wachsenden Erfolg und die internationale Anerkennung des IST Austria.“

Der Biochemiker Martin Loose wird in seinem ERC Projekt die für die Selbstorganisation zuständigen Mechanismen von bakteriellen Zellen untersuchen. Dafür erhält er 1,5 Millionen EUR für die Dauer von fünf Jahren.

Eines der frappierenden Merkmale von Lebewesen ist ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation. Selbst eine so relativ simple Zelle wie die des Bakteriums Escherichia coli verfügt über eine präzise gesteuerte Zellanatomie, die aus der dynamischen Interaktion zwischen Proteinen und der Zellmembran entsteht. Dank des Phänomens der Selbstorganisation gelingt es der Zelle größte Herausforderungen zu meistern. Allein bei der Zellteilung beteiligen sich zehn unterschiedliche Proteine an einem komplexen und hoch dynamischen System, das die Einschnürung der Zelle kontrolliert, währenddessen die Zelle einen anhaltenden Reorganisationsprozess durchläuft. Die daran beteiligten Einzelkomponenten sind zwar großteils identifiziert, aber noch fehlt das Verständnis für deren Zusammenwirken. Klar ist, dass für das Zustandekommen der innerzellularen Organisation ein ausgeklügeltes biochemisches Netzwerk verantwortlich ist – die zugrundeliegende Mechanik muss jedoch erst entdeckt werden.

Loose hat es sich zur Aufgabe gemacht, in seinem vom ERC geförderten Forschungsprojekt diese Frage zu beantworten. Zu diesem Zweck wird er neuartige in vitro Rekonstitutionsexperimenten mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie und formalen Modellen kombinieren. Im Anschluss an diesen Bottom-up-Zugang wird er das Zusammenspiel der Proteine und ihre entstehenden mechanisch-chemischen Eigenschaften quantifizieren und analysieren. Durch den Vergleich der Dynamik der Proteine in vitro mit jener, die in vivo gemessen wurde soll es gelingen, eine Verbindung zwischen den molekularen Eigenschaften und den Abläufen in der lebenden Zelle herzustellen. Die Projektergebnisse sollen nicht nur zu einem besseren Verständnis von bakteriellen Zellen beitragen, sondern auch neue Forschungsansätze für die Zellbiologie von Mehrzellern, für die synthetische Biologie und für die Biophysik liefern.

Entwicklungsbiologin Anna Kicheva wird in ihrem ERC-Projekt die Koordination von Musterbildung und Gewebewachstum bei Wirbeltieren untersuchen. Die Fördersumme beträgt 1,5 Millionen EUR für die Dauer von fünf Jahren.

Kicheva untersucht das Phänomen, dass sich Individuen einer Spezies in ihrer Größe zwar stark voneinander unterscheiden können, aber ihre inneren Organe dennoch reproduzierbare Proportionen und Zelltypmuster haben. Diese Reproduzierbarkeit erfordert die Koordination der Differenzierung des Zellschicksals und des Gewebewachstums während der embryonalen Entwicklung. Wie diese Koordination zustande kommt ist eine fundamentale Frage in der Biologie – überraschenderweise ist jedoch noch wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen bekannt. Das liegt auch daran, dass es bislang als eine große Herausforderung galt, quantitative Daten zu beschaffen, die Aufschluss über die Dynamik und Variabilität des Wachstums, der Muster und Signalwege der Morphogene liefern (Morphogene sind Moleküle, die die Bestimmung des Zellschicksals und das Gewebewachstum regulieren).

Kicheva gelang es zuletzt, das dreidimensionale Wachstum und die Musterbildung von Rückenmark durch experimentelle und theoretische Zugänge in hoher Auflösung zu rekonstruieren. Ihre Daten zeigten auf, welche unerwartete Rolle die Dynamik des Gewebewachstums bei der Kontrolle der Musterbildung von neuronalen Vorläuferzellen spielt. Kicheva’s quantitatives System bietet daher die spannende Möglichkeit, die biophysischen und molekularen Mechanismen aufzudecken, die für die Koordination von Wachstum und Musterbildung verantwortlich sind.

Damit soll es gelingen, folgende wichtige Fragen zu klären: Wie werden die Signale von mehreren Morphogenen in ein Kontrollmuster integriert, wie kontrollieren die Morphogene den Zellzyklus, und wie bewerkstelligen sie die Koppelung von Ursprungs- und Zielgewebe? Aufbauend auf ihre quantitativen Analysen wird Kicheva neue Nachweisverfahren entwerfen, um diese Vorgänge auf Einzelzellniveau messbar zu machen. Modernste Genom Editing-Techniken werden dazu beitragen, die ausschlaggebenden Feedback-Verbindungen zu entkoppeln und neue Einsichten zur Reproduzierbarkeit von Mustern und zur Funktion von Morphogenen zu gewinnen. Das Projekt wird zum besseren Verständnis der Morphogenese von Gewebe beitragen, aber auch Beiträge für andere wissenschaftliche Fragen liefern wie etwa zu Tissue Engineering oder Krebserkrankungen.
Krzysztof Pietrzak ist ein Computerwissenschaftler im Bereich der Kryptographie. Für sein ERC Projekt erhält er eine Förderung von 1,8 Millionen EUR für fünf Jahre.

Moderne Kryptographie befasst sich großteils mit der Entwicklung von neuen Verschlüsselungsverfahren mit nachweislich stärkerer Sicherheit. Oft ist unklar, ob bereits bestehende einfache Signaturmethoden die nötige Sicherheit bieten, da dafür keine Beweise existieren. Die neuen Verschlüsselungssysteme sind aber meist weniger effizient, weshalb sie nicht zum Einsatz gelangen. Dies führt zu einer großen Diskrepanz zwischen dem Grad an angestrebter Sicherheit und der nachweislichen Sicherheit. Diese Lücke soll in dem ERC Projekt geschlossen werden, indem einfache Signaturschemata (darunter weit verbreitete) mittels neuer Methoden überprüft werden, um deren weitaus stärkere Sicherheit zu beweisen.

Pietrzak wird sich in seinem Projekt mit drei Forschungsthemen auseinandersetzen: Adaptive Security, symmetrische Kryptosysteme und Pseudoentropie. Für viele kryptographische Protokolle und Crypto Primitives (also bestimmte Algorithmen) kann der Sicherheitsbeweis nur gegen sogenannte selektive Angreifer erbracht werden. In der Praxis wird aber eigentlich Sicherheit vor stärkeren Attacken benötigt, bei denen die Angreifer anpassungsfähige Entscheidungen im Verlauf der Attacke treffen. In den vergangenen Jahren hat die Kryptographie-Gruppe am IST Austria Beweisverfahren entwickelt, mit deren Hilfe es gelang, die adaptive Sicherheit von mehreren populären Protokollen und Verschlüsselungsverfahren zu beweisen. Diese Methoden werden im ERC Projekt nun weiterentwickelt. Als weiteres Forschungsthema wird sich Pietrzak mit Beweisverfahren der Sicherheit von symmetrischen Kryptosystemen beschäftigen. Diese Systeme, bei denen beide Teilnehmer einen gemeinsamen geheimen Schlüssel verwenden, sind weit verbreitet, aber ihre exakte Sicherheit ist oft nicht bekannt. Schließlich wird die Pietrzak-Gruppe auch die Forschung zum Verständnis von Pseudoentropie fortsetzen, also von Verteilungen, die so wirken als verfügten sie über eine hohe Entropie. Diese Konzepte haben erstaunlich viele Anwendungen in der Kryptographie der letzten Jahre gefunden.