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.