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Aus Einsichten. Das Forschungsmagazin

Der Teil und das Ganze

München, 17.06.2016

Verstehen, was Leben ausmacht: LMU-Forscher Erwin Frey entwickelt eine neue Sicht auf die Komplexität biologischer Systeme.

Klassiker der Kollektivbewegung: der Vogelschwarm. Erwin Frey untersucht Phänomene, denen vergleichbare Muster der Selbstorganisation zugrundeliegen. (Foto: charlathan / fotolia.com)

Wer mit Erwin Frey spricht, gelangt schnell zu ziemlich grundsätzlichen, zu den ganz großen Fragen: „Was ist Leben?“, so jedenfalls heißt ein Buch Erwin Schrödingers, von dem Frey begeistert erzählt. Was der Physiker und Nobelpreisträger vor mehr als 70 Jahren schrieb, ist für Frey noch heute programmatisch. „Schon damals ging Schrödinger der Frage nach, ob man zelluläre Prozesse mit Methoden und Konzepten der Physik verstehen könne“, sagt der LMU-Forscher. „Seinerzeit galt das als visionär, heute kann man diese Frage tatsächlich neu stellen. Was man untersuchen und messen kann, hat sich komplett geändert.“

Heute sind Wissenschaftler tatsächlich den grundlegenden Prinzipien auf der Spur. Im Mittelpunkt steht die biologische Zelle mit all ihren komplexen Funktionen – sozusagen als Grundeinheit des Lebens. Zellen sind lebende, hochdynamische Systeme. „Sie haben sehr viel komplexere Eigenschaften als ein Festkörper, der lediglich mechanische, elektrische oder magnetische Eigenschaften wie Schermodul oder Leitfähigkeit hat, aber keine Funktion“, sagt Frey, der den Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik an der LMU leitet. „In der Biologie geht es um Dynamik, um kollektive Phänomene.“

Aus ganz einfachen Bausteinen, die nichts anderes machen als zu binden und loszulassen, entstehen komplexe, dynamische Strukturen, mit der DNA als Dirigent, die alle wichtigen Informationen speichert. „Das ist alles selbstorganisiert, das ist schon phantastisch. Ich möchte die Physik lebender Systeme verstehen, vor allem die systemrelevanten Eigenschaften und Vorgänge“, sagt Frey, der lange mit dem Münchner Biophysiker Erich Sackmann zusammengearbeitet hat. Dieser definierte in den 1990er-Jahren ein ganz neues Feld der Physik. Frey und sein Team wollen auf dieser Linie grundlegende Prozesse theoretisch durchleuchten und nachstellen, wie durch Selbstorganisation komplexe Strukturen entstehen können – Leben eben.

Als Molekularbiologen wie Gen-Profiler dachten
Das neue Gebiet an der Grenze zwischen Biologie und Physik wächst gerade mit rasanter Geschwindigkeit. Es geht nicht mehr länger darum, einzelne Bestandteile der Zelle nur isoliert oder im engeren physiologischen Zusammenhang zu untersuchen. Die Wissenschaftler nehmen heute stattdessen ganze Zellen, Zellverbände und den gesamten Organismus in den Blick als Netzwerk aus genetischer Information und Steuerung, aus Stoffwechselwegen, Regelkreisen und Reaktionsmustern.

Es ist auch der endgültige Abschied von einem überkommenen Denken in den Biowissenschaften. Lange schien die Verbindung eines einzelnen Gens oder Proteins mit einer bestimmten Funktion das Muster zu sein, nach dem man suchen musste. Es war eine Zeit, in der Molekularbiologen wie Gen-Profiler dachten – auf der Suche nach der Erbanlage für rote Haare beispielsweise, für eine Krebs-Erkrankung, für ein soziales Verhalten. Doch das Bild ließ sich in seiner Allgemeinheit nicht halten. „Wir wissen heute, dass immer das orchestrierte Zusammenwirken mehrerer oder gar vieler Komponenten nötig ist“, sagt Frey. „Hier musste man komplett umdenken.“

Funktionen der Zellen erklären sich also nicht allein aus ihren Einzelkomponenten, sondern auch aus den Mustern, die die Wechselwirkungen der molekularen Bestandteile bilden. Sie können sehr variabel kombiniert sein und miteinander interagieren. Dadurch entstehen zelluläre Strukturen höherer Komplexität und Funktionalität.

Die Basis für diesen enormen Erkenntnisgewinn der letzten Jahre sind die deutlich besseren Beobachtungsmethoden. Die avancierten experimentellen und bildgebenden Verfahren ermöglichen es mittlerweile, das Verhalten einzelner Zellbausteine in lebenden Systemen gezielt zu beobachten, indem man sie beispielsweise mit leuchtenden Markern versieht und so besser verfolgen und beschreiben kann. Mit optischen Pinzetten lassen sich einzelne Moleküle zudem gezielt festhalten und manipulieren. „Wir haben damit sozusagen Augen und Hände in der Molekülwelt“, sagt Erwin Frey.

„Wir Physiker wollen immer erst einmal alles auseinandernehmen“
Das wiederum ist die Basis für den nächsten Schritt: für eine quantitative Analyse von Prozessen im Zellinneren – nicht eben eine simple Aufgabe. „Das Leben an sich ist erstaunlich kompliziert“, sagt Frey. „Aber womöglich spielen dabei funktionale Grundeinheiten eine zentrale Rolle, die sich durchaus verstehen lassen.“ Nach solchen einfachen Modulen sucht Frey, um sie zunächst einmal einzeln zu charakterisieren. „Wir Physiker wollen immer erst einmal alles auseinandernehmen, um die einzelnen Bausteine zu verstehen“, sagt er. Dieses Denken will Frey nun auf lebende Systeme anwenden. Dahinter steckt auch der philosophische Gedanke, dass Natur verstehbar ist, Gesetzmäßigkeiten folgt und nicht aus einem Zufall heraus entstanden ist. „Das heißt nicht, dass wir Leben oder die Evolution gänzlich verstehen. Aber wir verstehen vielleicht, was zelluläre Vorgänge ausmacht.“

Aus dem Verständnis der kleinen Bausteine hofft er allmählich das größere Ganze in all seiner Komplexität verstehen zu können. Deshalb untersucht der Biophysiker das System Leben auf drei Grundprinzipien hin, auf physikalische Basisgrößen sozusagen. Zum einen analysiert Frey die Rolle der Kraft in biologischen Systemen, zum anderen versucht er zu verstehen, wie Zellen oder Zellverbände Abstände und Zeiteinheiten messen. Und zum dritten schließlich will er wissen, welche Rolle Geometrie und räumliche Organisation bei der Ausbildung von Zellmustern spielen.

Die Antworten auf diese drei Fragenkomplexe, die Erkenntnis-Module gleichsam, will der Biophysiker dann zu einem größeren Gesamtbild verbinden, in dem sich das physikalische Verhalten der Zelle und schließlich des gesamten Organismus zeigt. Aus Teilen will er langsam das Ganze zusammensetzen. Es ist ein langer, aber doch berechenbarer Weg – wenn man beharrlich bleibt und die Weitsicht behält, hofft Frey.

Wer sich als Biophysiker mit der Rolle der Kraft beschäftigt, muss sich zunächst mit der Welt der Polymere vertraut machen. Der Münchner Forscher versucht deshalb, beispielsweise mechanische Eigenschaften von Polymeren zu charakterisieren, die einer Zelle ihre Fähigkeit geben, Kraft auszuüben und ihrerseits Deformationen auszuhalten, etwa wenn sie sich teilt. Die Natur hat dafür zwei wichtige Bauelemente konstruiert, erklärt Frey: Die Proteinfasern der Aktin-Filamente und die Mikrotubuli, kleine Proteinröhren, bilden im Wesentlichen das Zellskelett. Dazu kommen ebenfalls aus Proteinen bestehende molekulare Motoren. Das sind genau die funktionalen Grundeinheiten, nach denen Physiker suchen.

Weiter mit Seite 2: Ein netzartiges Bauprinzip – flexibel und belastbar

 

Der Artikel ist der neuen Ausgabe des LMU-Forschungsmagazins entnommen, die Mitte Juli herauskommt. Einsichten. Das Forschungsmagazin erscheint diesmal mit einem Schwerpunkt zu Globalisierung und Migration: „Wie die Welt zusammenrückt“.

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