Wir sind eine aufstrebende Arbeitsgruppe im Bereich theoretische Biophysik und Hochleistungsrechnen in den Lebenswissenschaften am FIAS, dem "Frankfurt Institute for Advanced Studies". Wir sind Teil des 2020 neu gegründeten "Center for Multiscale Modeling in Life Sciences" (CMMS, Frankfurter Zentrum für Mehrskalen-Modellierung).

Unsere Forschung zielt darauf ab, biophysikalische Prinzipien und Mechanismen zu ergründen, welche zuverlässige Informationsverarbeitung in biologischen Systemen ermöglichen. Insbesondere erforschen wir biochemische Regulationsnetzwerke welche relevante Informationen im Inneren von biologischen Zellen verarbeiten und zwischen ihnen propagieren. Diese basieren auf genuin stochastischen biochemischen Prozessen, welche mit begrenzten Ressourcen (Anzahl von Regulationsproteinen) auskommen müssen. Zelluläre Informationsverabeitungsprozesse sind daher von Grund auf stark verrauscht und daher auf Mechanismen angewiesen, welche dieses Rauschen kontrollieren.

Unsere Kernfragen lauten: Wie können Zellen zuverlässig biochemische Signale generieren, empfangen, verarbeiten und weitergeben trotz beschränkter molekularer Ressourcen und damit einhergehendem starken biologischen Rauschen? Wie können Gewebe und ganze Organismen sich nahezu fehlerfrei entwickeln und reproduzieren, wenn ihre biologische Entwicklung auf solcher Art verrauschten Prozessen basiert? Welche biophysikalischen Mechanismen hat die Evolution hervorgebracht, um biologischen Zellen zu ermöglichen, biologisches Rauschen zwecks zuverlässiger Informationsverarbeitung zu kontrollieren? Welchen Einfluss haben darauf insbesondere räumliche Effkte, wie Moleküldiffusion und Transport von Molekülen auf dem Zytoskelett? Und schließlich: Können wir unser mechanistisches Verständnis von Mechanismen, die biologisches Rauschen in Organismen kontrollieren, auch dazu verwenden, stochastische Prozesse auf der Skala von vielen interagierenden Organismen und Populationen besser zu verstehen?

Diese Fragestellungen erforschen wir mit Hilfe einer Kombination von Methoden aus der statistischen und Computer-Physik, mit einem besonderen Fokus auf biophysikalisch realistische und gleichzeitig recheneffiziente räumlich-stochastische Simulationen. Das Kernstück unseres Ansatzes bildet daher die Entwicklung ereignisgetriebener räumlich-stochastischer Algorithmen, welche ihre hohe Recheneffizienz der Verwendung mathematischer Zufallsverteilungen für zukünftige Simulationsereignisse verdanken. Um hierfür zuverlässige Voraussagen machen zu können, müssen die verwendeten Verteilungen sorgfältig aus den zu Grunde liegenden biophysikalischen und biochemischen Grundprinzipien hergeleitet werden. Zusätzlich zu diesem Ansatz verwenden wir numerische Optimierungsalgorithmen, um in den (üblicher Weise stark ausgedehnten) Parameterräumen unserer Modelle diejenigen Parameter-Regimes zu finden, welche eine effektive Kontrolle des biologischen Rauschens garantieren können. Unsere Herangehensweise kombiniert daher theoretische Herleitungen mit modernen Techniken des Hochleistungs-Rechnens.

Studierende, die daran interessiert sind, physik-basierte rechnerische Ansätze zur Ergründung der Robustheit biologischer Systeme anzuwenden, sind herzlich eingeladen, uns zu kontaktieren um gemeinsam Möglichkeiten für Projekte oder Praktika auszuloten!

Studierende, die an der Teilnahme an den von uns an der Goethe-Universität angebotenen Kursen und Seminaren in den Bereichen Biophysik, Computerphysik und Wissenschaftliche Programmierung interessiert sind, finden nähere Informationen dazu auf der Seite "Lehre".