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 Makromolekül-Komplexe ("biomolekulare Maschinen") in ihrer natürlichen zellulären Umgebung 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. Im Forschungsbereich Angewandte Optik & Informationsverarbeitung wurden dazu zwei neue lichtmikroskopische Methoden entwickelt, die sich gegenseitig ergänzen: 1. Spektrale Präzisions Distanzmikroskopie (seit 1996) (Spectral Position Determination Microscopy). Dieses Verfahren erlaubt es, in Kombination mit multispektralen Markierungstechniken die Topologie biomolekularer Maschinen bis in den Bereich weniger Nanometer zu vermessen (derzeit erreichte effektife optische Auflösung ca 10nm). 2. Die "Spatially Modulated Illumination" 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. 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