Forschungsspektrum

Wie organisieren sich Zellen zu Geweben? Diese Frage hat die Forschungsarbeit am MPI-CBG von Anfang als große Frage überspannt und angetrieben. Ein Grundprinzip ist es dabei, grundlegende Funktionen einer Zelle zu analysieren und zu untersuchen, wie sie im Laufe der Entwicklung eines Organismus oder im Verlauf der Evolution verändert oder gefestigt werden, damit biologische Vielfalt entstehen kann. Dementsprechend findet die Forschungsarbeit auf verschiedenen Skalen statt, beginnend auf der molekularen Ebene bis hin zu ganzen Organismen. Da das Institut auf Fluktuation setzt und Forschungsgruppenleiterinnen und –leiter nur begrenzte Zeit am Institut forschen, dann weiterziehen und durch neue Forschungsgruppenleiterinnen und –leiter mit neuen Fragen, Ansätzen und Blickwinkeln ersetzt werden, verändert und entwickelt sich auch das Forschungsspektrum kontinuierlich und kann immer wieder neu geschärft werden. Dabei wird darauf geachtet, dass es bei der Arbeit der verschiedenen Forschungsgruppen und ihren Themenfeldern immer Überlappungen und Berührungspunkte gibt.

Membranen

Der Aufbau von Membranen sowie der Ablauf des Membrantransports sind weiterhin ein wichtiges Forschungsfeld am MPI-CBG. Marino Zerial hat wichtige Beiträge geleistet zum Verständnis von Endosomen mit einem Fokus auf die Rolle der Rab5-Proteine bei Transportvorgängen und in Signalwegen. Andrej Shevchenko hat im Bereich der Massenspektrometrie neue Methoden entwickelt, mit denen sich quantitative Profile aller Lipide eines Organismus erstellen lassen – das hat den Bereich der Membranforschung ebenfalls enorm vorangebracht. Der Bereich der Membranbiochemie wurde durch die Rekrutierung von André Nadler und Alf Honigmann entscheidend gestärkt.

Zytoplasma

Als Ergänzung zu den oben genannten Forschungsarbeiten zu Membranen hat das Institut auch die Arbeiten zur Struktur des Zytoplasmas sowie zu Kompartimenten, die nicht von einer Membran umhüllt sind, intensiviert. Die Arbeitsgruppen von Anthony Hyman und Simon Alberti erforschen, wie sich äußere Einflüsse (pH-Wert, Temperatur, Druck) auf die Eigenschaften des Zytoplasmas auswirken. Die Gruppe von Anthony Hyman spezialisiert sich dabei besonders auf körnchenförmige Einlagerungen in flüssiger Form (Granula). Die Gruppe von Simon Alberti untersucht, wie sich aus Makromolekülen Kompartimente oder Filamente bilden und wie sich dieser Vorgang mit der Verdichtung von Kompatimenten zum aggregierten Zustand kalibriert. Die Arbeitsgruppe von Gaia Pigino entwickelt elektronenmikroskopische Methoden mit hoher Auflösung, um den Aufbau von Flimmerhaaren und Transportvorgänge mit Hilfe von kleinen Geißeln zu erforschen. Ergänzt werden die Arbeiten in diesem Bereich durch die neu rekrutierten Forschungsgruppen von Jan Brugués und Moritz Kreysing.

Genexpression

Nicht nur Membranen und das Zytoplasma, sondern auch der Zellkern stehen im Fokus der Arbeiten am MPI-CBG. Die Arbeitsgruppe von Nadine Vastenhouw will verstehen, wie die Expression von Genen reguliert wird, speziell wie das für die Transkription nötige Chromatin gebildet wird und wie Chromatin mit den restlichen an der Transkription beteiligten Komponenten interagiert. In Ergänzung dazu gibt es immer mehr Forschungsgruppen, deren Arbeiten die Expression von Genen im Kontext von Entwicklung und Evolution  in den Blick nehmen. Die Forschungsgruppe von Pavel Tomancak hat mit Hilfe der Fruchtfliege Drosophila melanogaster eine Reihe von digitalen Atlanten erstellt, die anzeigen, wo im Gewebe bestimmte Gene aktiv sind. Im nächsten Schritt sollen diese Erkenntnisse dahingehend untersucht werden, inwiefern sie bestimmte Veränderungen der Physiologie eines Organismus auslösen können. Wieland Huttner hat für bestimmte Nervenstammzellen die Transkriptionsfaktoren entschlüsselt, welche während der Gehirnentwicklung bei Mäusen und dem Menschen die Teilung dieser Nervenstammzellen steuern.

Zellpolarität

Einige Forschungsgruppen interessieren sich für Zellpolarität und bestimmte Muster und schlagen so die Brücke von der Forschung, die einzelne Zellen in den Blick nimmt hin zu Arbeiten auf der Ebene mehrerer Zellen. Zellpolarität spielt für die Entwicklung und Evolution eine große Rolle. Die Forschungsgruppe von Elisabeth Knust erforscht, durch welche molekularen Faktoren Epithelzellen in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster polar werden, besonders unter Stress, etwa wenn Gewebe während der Entwicklung herumgeschoben wird oder wenn Photorezeptorzellen extremem Licht ausgesetzt werden. Die Forschungsgruppen von Suzanne Eaton und Marino Zerial betrachten Zellpolarität im Zusammenhang mit der Anlegung von Zellmustern in Geweben. Wie die Größe und Form von Gewebe kontrolliert, interessiert die Arbeitsgruppe von Suzanne Eaton. Sie hat mit ihrem Team quantitative Modelle entwickelt, die beschreiben, wie Morphogen-Gradienten die Richtung und Dauer von Wachstum regulieren und dies mit der Musterbildung im entstehenden Flügel der Fruchtfliege in Verbindung bringen. Die Arbeitsgruppe von Marino Zerial möchte die Konstruktionsprinzipien des Lebergewebes von Säugetieren bestimmen. Der Musterbildung in Geweben vorgelagert sind die Genexpression sowie Netzwerke von Genen, die wichtige Steuerungsfunktionen übernehmen. Die Arbeitsgruppe von Jochen Rink untersucht, wie Größe und Form bei der Regeneration von Plattwürmern gesteuert werden, wie sich eine Körperachse orientiert und wie bestimmte Muster nach einer Verletzung beim Nachwachsen wiedergebildet werden.

Stoffwechsel

Die bisher genannten, sehr komplexen Forschungsfragen sind auch eng mit dem Thema Stoffwechsel verbunden. Die Arbeitsgruppe von Suzanne Eaton geht etwa auch die Frage an, inwiefern die Aktivität von bestimmten Morphogenen  beeinflusst wird durch die Umwandlung von Lipiden. Ergänzt werden diese Arbeiten durch die Arbeitsgruppe von Teymuras Kurzchalia, die untersucht, wie der Stoffwechsel bestimmter Tiere reguliert wird und wie er auf Extrembedingungen wie Hunger oder Austrocknen reagiert.

Evolution und Entwicklung

Die Forschung am MPI-CBG soll die Frage, wie sich Zellen zu Geweben verbinden, nicht nur im Hinblick auf Entwicklungsprozesse verstehen, sondern auch in Verbindung mit dem Themenkomplex Evolution angehen. Dementsprechend arbeiten einige Gruppen an Forschungsprojekten mit Bezug zum Thema Evolution und verbinden dies mit einer Fokussierung auf die Herausbildung des zentralen Nervensystems. Die Arbeitsgruppe von Michael Hiller untersucht, wie im Laufe der Evolution bestimmte Phänotypen und Genotypen miteinander verbunden sind und sucht dabei bei verschiedenen Spezies nach funktionalen Unterschieden in deren Genomen. Evolution und Entwicklung des neuronalen Systems werden von den Gruppen von Wieland Huttner und Caren Norden bearbeitet, die Forschungen der Gruppe von Elisabeth Knust zur Netzhaut sind ebenfalls Teil dieses Arbeitsgebietes. Wieland Huttner will die molekularen Mechanismen verstehen, die die Vergrößerung des Neokortex im Laufe der Evolution ausgelöst haben. Die Gruppe von Caren Norden hat zu einem besseren Verständnis bestimmter Zellen im Epithelgewebe, den so genannten pseudostratifizierten Neuroepithelzellen, beigetragen, und untersucht, wie Gewebe zur Bildung von Zellschichten neu arrangiert wird, aus denen während der Embryonalentwicklung später die Netzhaut hervorgeht.

Technologieentwicklung

Die Forschung am MPI-CBG wird durch eine starke Komponente Technologieentwicklung komplettiert – im Bereich der quantitativen Massenspektrometrie durch die Arbeiten der Gruppe von Andrej Shevchenko, und ganz besonders im Bereich der Mikroskopie und der Modellierung. Jan Huisken hat die Entwicklung der Lichtblattmikroskopie federführend vorangetrieben, mit der die Entwicklung lebender Organismen in Zeit und Raum hochaufgelöst und schonend abgebildet werden kann. Die Arbeitsgruppe von Pavel Tomancak hat diese Methode mit OpenSPIM weiterentwickelt, einem transportablen Lichtblattmikroskop, das aus Komponenten nach einem freien Bauplan erstellt werden kann. Mit der Open-Source-Software Fiji hat die Gruppe zudem eine extrem erfolgreiche Bildanalyse-Plattform erschaffen.Durch die Zusammenarbeit von Forschungsgruppen am MPI-CBG mit Gruppen am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS), speziell mit der Abteilung von Frank Jülicher, sind zudem Theorie und Modellierung mehr in den Blick der Arbeit gerückt. Zwischen 2009 und 2015 erschienen 45 Publikationen, die das Ergebnis dieser Zusammenarbeit der beiden Max-Planck-Institute darstellen. Diese fruchtbare Zusammenarbeit und die Gewinnung von Gene Myers, einem Informatik-Experten speziell auf dem Gebiet des wissenschaftlichen Rechnens zur Analyse großer Datenmengen, führte 2012 zur Gründung des Zentrums für Systembiologie Dresden (CSBD). Gene Myers, der als sechster Direktor an das MPI-CBG berufen wurde, hat sich das Ziel gesetzt, zelluläre und entwicklungsbiologische Prozesse zu digitalisieren. Dazu baut seine Arbeitsgruppe hochempfindliche Mikroskope und sucht nach neuen Algorithmen, um auf Bilddaten rechnerische Modelle zu entwickeln. Eine weitere Projektlinie arbeitet an neuen Assembler-Computerprogrammen für bisher nicht sequenzierte Genome. Der Bereich der Systembiologie wird von zwei weiteren Forschungsgruppen bearbeitet: Die Gruppe von Ivo Sbalzarini will eine interaktive Cyberspace-Mikroskopie und neue Methoden zur Bildverarbeitung und Simulation etablieren. Dazu entwickeln sie neue Algorithmen. Die Gruppe von Michael Hiller findet neue rechnerische Ansätze, um verschiedenen Genome im Laufe der Evolution zu vergleichen.