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P2: Integrated Science

Vom Einzelmolekül zum komplexen System

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Video zur Profillinie 2:   Integrated Science - Vom Einzelmolekül zum System. YouTube-Channel der Universität Osnabrück.

Sprecher

Prof. Dr. Jacob Piehler
Fachbereich Biologie/Chemie

Wie entstehen komplexe biologische oder synthetische Systeme aus einfachen molekularen Grundbausteinen und wie funktionieren solche Systeme? In Zellen agieren Proteine in ihrer jeweiligen molekularen Mikroumgebung, den zellulären Mikrokompartimenten, deren Zusammensetzung und Funktion durch vielschichtige Wechselbeziehungen bestimmt sind. Quantitative Untersuchungen und die Beschreibung dieser räumlich und zeitlich hochdynamischen funktionalen Organisation auf nano- und mesoskopischer Skala erfordert ein interdisziplinäres Zusammenwirken von Biologie, Physik und Chemie. Eine zentrale Herausforderung liegt in der Entwicklung und Anwendung hochempfindlicher und hochspezifischer Methoden zur Beobachtung von Molekülen und ihren Interaktionen im komplexen zellulären Kontext mit höchster zeitlicher und räumlicher Auflösung. Auf dieser Basis sollen Teilfunktionen anhand biomimetischer und synthetischer Systeme unter kontrollierten Bedingungen nachvollzogen und manipuliert werden. Hierbei werden insbesondere skalenübergreifende Prozesse, Systemeigenschaften und Strukturmerkmale wie Selbstorganisation, Selbstähnlichkeit oder dynamische Muster betrachtet, die eine zentrale Rolle für die Ausbildung hochkomplexer Systeme wie z. B. multizelluläre Gewebe und Organe spielen. Die experimentellen Arbeiten im Rahmen des Profilelements werden durch die Konzeption theoretischer Modelle und durch Simulationen der Wechselwirkungen von Komponenten mit und in dynamischen Systemen unterstützt. Dies wird zu einem tiefergehenden Verständnis komplexer Systeme führen als grundlegende Voraussetzung für deren systematische Manipulation und für die Konzeption neuartiger Funktionalitäten.

Ausgangslage und Vorarbeiten

Die Analyse der dynamischen Organisation von Biomolekülen in funktionalen zellulären Strukturen ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der Biologie in Osnabrück, der seit 2011 im Sonderforschungsbereich SFB 944 gefördert wird. Im Fachgebiet Physik und Chemie sind es die Synthese und die Charakterisierung von Nanomaterialien (Zentrum für Physik und Chemie Neuer Materialien). Die interdisziplinäre Vernetzung dieser komplementären Ansätze ist durch zahlreiche gemeinsame Veröffentlichungen und gemeinsame koordinierte Programme dokumentiert. Mit dem Zentrum für Zelluläre Nanoanalytik (CellNanOs) steht demnächst eine gemeinsame Forschungsinfrastruktur zur interdisziplinären Methodenentwicklung und Analysen zur Verfügung.

Drittmittelprojekte

Der Profilbereich „Integrated Science“ baut auf einer Reihe von erfolgreich eingeworbenen Drittmittelprojekten, koordinierten Programmen und Investitionsmaßnahmen in den Naturwissenschaften an der Universität Osnabrück auf. Eine elementare Rolle spielt neben dem von Land und Bund geförderten und demnächst verfügbaren Forschungsbau CellNanOs der 2011 etablierte SFB 944 („Physiologie und Dynamik zellulärer Mikrokompartimente“). Darüber hinaus wurden und werden mehrere EU- und DFG-Programme und Forschungsprojekte von Osnabrücker Biologen (Marie Curie ITN SPHINGONET, DFG-Schwerpunktprogramm 1316 „Wirtsadaptierter Metabolismus bakterieller Infektionserreger“), Chemikern (ERC Consolidator Grant 2015 „Insect-inspired capillary nanostamping“) und Physikern (COST Action CM1104) koordiniert. Zusätzlich wird die Thematik „Integrated Science“ derzeit durch eine Heisenbergprofessur (Physik) und zwei Emmy Noether-Nachwuchsgruppen (Biologie und Physik) unterstützt.

Vernetzungspotenzial

Innerhalb der Universität Osnabrück ist die Profillinie mit den Fächern Mathematik, Informatik und Humanwissenschaften vernetzt. Zusammenarbeiten mit der Hochschule Osnabrück sowie den Nachbaruniversitäten Bielefeld, Münster und Oldenburg bestehen bereits und sollen im Rahmen gemeinsamer Initiativen weiter ausgebaut werden.

Organisation

Die Profillinie wird über den Vorstand des Forschungszentrums CellNanOs koordiniert.