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Theoretische Physik lebender Systeme
Unsere Gruppe erforscht die Physik lebender Systeme. Wir entwickeln theoretische Ansätze, um zu verstehen, wie Interaktionen von Zellen und Molekülen das Verhalten vielzelliger Systeme steuern.
Die Entwicklung eines Lebewesens aus einer einzigen befruchteten Eizelle ist ein beeindruckendes Beispiel für Selbstorganisation. Dabei spielt das kollektive Verhalten von Zellen eine zentrale Rolle; wie sie mechanisch miteinander interagieren, um Gewebe zu formen, und wie sie biochemisch kommunizieren, um Signale auszutauschen und komplexe Gewebestrukturen zu bilden.
Stochastische Dynamik multizellulärer Systeme
Die Entwicklung eines Organismus passiert auf immer gleiche und vorhersagbare Weise, obwohl biologische Systeme zufälligen Fluktuationen ausgesetzt sind. Die Frage, wie die Zellen trotz dieser Fluktuationen wichtige Informationen erhalten und verlässliche Entscheidungen über ihre zukünftige Entwicklung treffen, ist nach wie vor ungeklärt. Die Bildung von Gewebestrukturen basiert im Wesentlichen auf physikalischen Prozessen, dazu gehören unter anderem die Gewebemechanik oder die dynamische Übertragung biochemischer Signale. Wir möchten verstehen, wie multizelluläre Systeme solche physikalischen Prozesse nutzen, um Information räumlich und zeitlich weiterzuleiten.
Theoretische Physik zur Erforschung lebender Systeme
Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, kombinieren wir verschiedene theoretische Ansätze, die auf der Statistik und der Physik der weichen Materie basieren. Wir entwickeln biophysikalische Modelle zur Zellkommunikation und -mechanik, mit denen wir erforschen, wie Zellen selbstorganisiert Gewebe bilden.
Um Einblicke in verschiedene Systeme zu erhalten, analysieren wir diese Modelle mit der sogenannten Informationstheorie. Sie hilft uns zu verstehen, wie biologische Systeme Informationen verarbeiten und übertragen. Mit Methoden wie Inferenz und Machine Learning verbinden wir unsere theoretischen Modelle mit quantitativen Daten. Dafür arbeiten wir eng mit experimentellen Laboren weltweit zusammen.
Systemübergreifende physikalische Prinzipien
Entwicklungsbiologische Systeme erzeugen eine erstaunliche Vielfalt und Mustern und Formen. Unser Ziel ist es, theoretische Modelle zu erstellen, die es uns erlauben, allgemeingültige physikalische Prinzipien zu finden, die für verschiedene Organismen, Entwicklungsstadien und Grössenordnungen gültig sind. So erfahren wir mehr darüber, wie stabil biologische Mechanismen sind und welche Störungen bei Fehlentwicklungen auftreten. Zudem ermöglichen sie uns, Designprinzipien für künstliche Systeme wie Organoide aufzustellen.
Die Forschungsgruppe von David Brückner wird im April 2025 am Biozentrum starten und sucht exzellente Mitarbeiter auf allen Ebenen für das Team.
