Gewebephasenübergang und Embryo-Musterbildung

Die Entwicklung eines Organismus ist der Prozess, der dazu führt, dass aus einer einzigen Zelle ein voll ausgebildeter Organismus entsteht. Dies ist zweifelsohne eines der erstaunlichsten Phänomene der Natur. Und doch erleben wir es tagtäglich mit großer Vertrautheit, als den wesentlichen, notwendigen Ausgangspunkt des unaufhaltsamen Prozesses von Leben und Tod. Man kann den gesamten Prozess als ein Schauspiel betrachten, dessen Ausgang das Ergebnis eines komplexen und delikaten Plots ist, der aus Gleichgewichten und Vereinbarungen zwischen vielen Prozessen besteht. Die beiden wichtigsten sind die sogenannte Musterbildung und die sogenannte Morphogenese: Unter Musterbildung verstehen wir die Ausführung des genetischen Programms, das zu den verschiedenen Zelltypen und damit zu den verschiedenen Funktionen führt. Die Morphogenese wiederum ist für die Entstehung der Form verantwortlich. Form und Funktion entfalten sich, miteinander verknüpft, in präziser Weise in Raum und Zeit. Es stellt sich sofort eine grundlegende Frage: Wie interagieren diese beiden Prozesse explizit miteinander und wie beeinflusst der eine den anderen? Bevor man versucht, die obige Frage zu beantworten, muss man die Eigenschaften des Prozesses der Formentstehung verstehen. Die aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Entwicklungsschritte keineswegs immer reibungslos verlaufen und dass es in einigen Phasen zu dramatischen, plötzlichen Veränderungen der Eigenschaften oder der Struktur des Embryos kommt. Diese plötzlichen Veränderungen ähneln manchmal dem, was in der Physik als Phasenübergänge bezeichnet wird zum Beispiel das Schmelzen von Eis zu flüssigem Wasser. In der Tat zeigen jüngste Fortschritte, dass die Gewebe, aus denen der Embryo bestimmter Fischarten besteht, von einem weichen, geschmolzenen Zustand in einen steifen, starren übergehen können und andersherum. Dies ändert die Sichtweise darauf, wie die Kräfte und Spannungen die Form des sich entwickelnden Organismus bestimmen, völlig. Daher stellt sich eine zweite grundlegende Frage: Was bestimmt den Zustand des Gewebes? Mit Hilfe eines kombinierten Ansatzes, welcher Physik, Computersimulationen, empirische Beobachtungen und genetische Manipulationen an echten Fischembryonen umfasst, wollen wir in diesem Projekt die beiden oben genannten Fragen beantworten und dabei herausfinden, 1/ welche Schlüsselelemente den Zustand der embryonalen Gewebe bestimmen und wie sie sich auf die Veränderungen der materiellen Eigenschaften und der Struktur die Morphogenese auswirken, und 2/ Wie diese Perspektive der Morphogenese, die Physik und Geometrie einbezieht, den Prozess der Entstehung von Funktionen d. h. die Musterbildung beeinflusst. Die Synergie zwischen den verschiedenen Disziplinen wird ein tieferes Verständnis der Mechanismen ermöglichen, die am Prozess der Organismusentwicklung beteiligt sind. Darüber hinaus wird die Möglichkeit, die Eigenschaften von Geweben sowohl auf der Ebene realer Systeme als auch mit Hilfe von Computersimulationen zu kontrollieren, Möglichkeiten für die Bereiche Organentwicklung und regenerative Medizin eröffnen.