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Forschung


Ziel unserer Forschung: Die biophysikalische Analyse der funktionellen Chromatin-Struktur und ihrer Dynamik in Kernen, insbesondere menschlicher Zellen:
Die Entwicklung neuer Nanoskopieverfahren zur Untersuchung biologischer Systeme stellt gegenwärtig eines der wichtigsten Zukunftsthemen der biologischen und biophysikalischen Forschung dar. Dazu werden neue lichtoptische Methoden benötigt, die es erlauben, solche Strukturen in der Zelle weit unterhalb der konventionellen Auflösungsgrenze von einigen hundert Nanometer zu analysieren. Seit Mitte der 1990iger Jahre hat unsere Forschungsgruppe zu der Entwicklung von zwei neuen lichtmikroskopischen Methoden zur Ueberwindung der Beugungsgrenze beigetragen, die sich gegenseitig ergänzen: 1. Spektrale Präzisions Distanzmikroskopie (Spectral Position Determination Microscopy)/Single Molecule Localization Microscopy/SMLM mit Standard Farbstoffen). Diese Verfahren erlauben es gegenwaertig, biologische Strukturen mit einer Aufloesung von wenigen zehn Nanometer zu vermessen (beste derzeit erreichte effektive optische Auflösung ca 10nm). 2. Die Structured Illumination (SI) Mikroskopie (seit 1997). Mit dieser Methode ist es möglich geworden, die Größe einzelner fluoreszierender Objekte bis hinunter zu wenigen zehn Nanometer mit hoher Präzision zu bestimmen. Mit lateral strukturierter Beleuchtung (Structured Illumination Microscopy/SIM) und Licht im sichtbaren Spektralbereich wird z.Zt. eine Auflösung von ca. 100 nm bei sehr niedrigen Beleuchtungsintensitaeten erreicht (essentiell bei in vivo Super-Aufloesung). Damit werden der biophysikalischen Analyse wesentliche, funktionell wichtige Struktur-Parameter in einem Bereich zugänglich, der bislang in intakten Zellen nicht zugänglich war. 
Die gewonnenen lichtoptischen Strukturdaten werden im Rahmen theoretischer Modelle der Zellkernstruktur interpretiert. Dazu ist es notwendig, diese Modelle zu quantifizieren und ihre experimentell testbaren Konsequenzen mit Methoden des wissenschaftlichen Rechnens zu bestimmen. Dies geschieht mit numerischen Simulationen. Beispielsweise wurde auf diese Weise ein dynamisches Modell der Genomstruktur des menschlichen Zellkerns entwickelt, das zahlreiche Voraussagen bezüglich der 4D Geometrie, der thermisch induzierten Mobilität, sowie der Strahlenwirkung erlaubt. 
 
Der Weg zum Ziel ist die Kombination der Methoden der Biophotonik, Biophysik, Biocomputing und Informationsverarbeitung

Unsere Labore befinden sich jetzt am Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB) der Universität Heidelberg (Kooperationseinheit Biophysik) sowie am Institut für Molekulare Biologie (IMB), Mainz (Super-Resolution Microscopy).