Zellkerne

Gudrun unterhält sich in dieser Folge mit Lennart Hilbert, dem Leiter des Hilbert Labs am KIT. Das Labor ist Teil des Instituts für Toxikologie und Genetik (ITG), einem multidisziplinären Zentrum für biologische und chemische Forschung am KIT. Lennart Hilbert ist außerdem Juniorprofessor für Systembiologie/Bioinformatik am Zoologischen Institut des KIT.

Das Thema von Lennarts Gruppe ist Computational Architectures in the Cell Nucleus. Das kann man auf zwei unterschiedliche Arten interpretieren. Einerseits untersucht Lennarts Gruppe den räumlichen Aufbau des Zellkerns mit Hilfe von Computern. Es heißt aber auch dass man aufgrund der dabei gewonnenen Erkenntnisse als Fernziel Datenverarbeitung mit Hilfe des Zellkernes als Informationsspeicher ermöglichen will.

Gudrun und Lennart haben sich im Rahmen eines Treffens des KIT-Zentrums MathSEE kennengelernt, das im letzten Gespräch vorgestellt wurde.

Mit der Hilfe von Super Auflösungs Mikroskopie schauen Lennart und seine Gruppe in das Innere von Zellkernen und sehen dabei dreidimensionale Bilder. Diese Bilder gleichen sie mit den Ergebnissen von den bisher standardmäßig durchgeführten Sequenzierexperimenten von Molekularbiologen ab. "Sehen" erfolgt mit empfindlichen Digitalkameras, deren Bilder geeignet gefiltert werden. Dabei ist eine einschränkende Randbedingung, dass die betrachteten Samples gegen Licht empfindlich sind, aber Licht für die visuelle Darstellung unabdingbar nötig ist - je kleiner die Details, desto mehr Licht.

Man kann sich unschwer vorstellen, dass zur Bearbeitung diese Art von Fragen Informatik, Physik, Biologie und Mathematik nötig sind. Damit sich im Rahmen der Zusammenarbeit alle einbringen können, ist es hilfreich, wenn die Methoden einfach und die Ergebnisse visuell unmittelbar verständlich sind.

Eine Grundannahme ist, dass die räumliche Organisation im Zellkern den Informationsflüssen aus der DNA-Sequenz entspricht. Die treibende Frage ist: Wie funktioniert Gensteuerung? Der betrachtete Regelkreis ist, dass die DNA als Bibliothek funktioniert. Aus einem Teil wird eine RNA-Kopie erstellt, sodass bestimmte Proteine hergestellt werden können. Diese Eiweiße aber steuern anschließend, welche Teile der DNA als nächstes gelesen werden (das schließt den Regelkreis).

In der Systembiologie untersucht man dies bisher in Form von Differentialgleichungssystemen auf einer Metaebene. Wie das aber passiert ist aber noch relativ unklar. Die Hoffnung ist: Neues Sehen hilft hier, neues zu lernen und hierfür ist neueste Technik hilfreich. Die Molekulare Ebene ist der Teil der Biologie, wo im Moment am meisten Neues passiert.

Lennart hat in Bremen Physik studiert und anschließend an der McGill University in Montréal in Physiologie promoviert. Hier hat er zum ersten Mal zwischen Theorie und Experiment in zwei Gruppen gleichzeitig gearbeitet. In Dresden am Zentrum für Systembiologie (Max Planck Institut für Molekulare Zellbiolgie und Genetik und Max Planck Institut für die Physik komplexer Systeme) konnte er als Postdoc weiterhin interdisziplinär arbeiten. Seit 2018 ist er am KIT tätig.

Lennart und seine Gruppe arbeiten mit Zebrafischen, Bakterienstämmen, Zeitreihenanalyse und anderen mathematischen Modellen. Sie benötigen hoch parallele Simulationen und Machine Learning (z.B. um Mikroskopie-Daten zu entrauschen und mehr Farben gleichzeitig darzustellen). Lennart drückt es im Gespräch so aus: "Ich hab keine Disziplin mehr, ich habe nur noch Fragen."

Die beiden Teile seiner Arbeit unterscheiden sich stark: Im Labor sind Gruppentreffen nötig, weil alle aufeinander angewiesen sind. Es wird viel geredet und präzise Handarbeit ist wichtig. In der theoretischen Arbeit ist man auf sich selbst angewiesen und es gibt weniger Interaktion.

Any doubts #activematter is a relevant framework to understand nuclear and chromatin organization? Please look at this time-lapse. Zebrafish blastula nucleus, DNA label is Hoechst 33342, single optical section, recorded last night using @VisiTech_UK iSIM. @LennartHilbert, 16.3.2019

Literatur und weiterführende Informationen

• Y. Sate e.a.: Quantitative measurements of chromatin modification dynamics during zygotic genome activation, bioRxiv preprint, 2019.
• Lennart Hilbert: Stress-induced hypermutation as a physical property of life, a force of natural selection and its role in four thought experiments. Physical Biology 10(2):026001, 2013
• Portrait of Science über Lennart Teil 1
• Portrait of Science über Lennart Teil 2
• A. Lampe: Hochauflösungsmikroskopie, Die kleinen Dinge, ScienceBlogs, 2017.
• A. Lampe: Es sind die kleinen Dinge im Leben, 33c3, 2016.

Podcasts

• T. Hagedorn, G. Thäter: MathSEE, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 205, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2019.
• M. Gonciarz, G. Thäter: Portrait of Science, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 197, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2019.
• G. Thäter, K. Page: Embryonic Patterns, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 161, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.
• Omega Tau-Podcast 072: Forschung in der Zellbiologie, 2011.
• J. Schmoranze, I. Wessolowski: Beim Herrn der Mikroskope – AMBIO Core Facility, Sciencekompass Podcast, Episode 009 B, 2017.