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 und neulich auch künstliche Intelligenz, 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".
02. Dezember 2024
In Kollaboration mit Maciej Majka und Marcin Zagórski (Uni Krakau), Nils Becker (DKFZ Heidelberg) und Pieter Rein ten Wolde (AMOLF, Amsterdam) publizieren wir den Artikel "Stable developmental patterns of gene expression without morphogen gradients", ebenfalls in PLoS Computational Biology.
14. November 2024
Die Publikation von Michael Ramírez Sierra mit dem Titel "AI-powered simulation-based inference of a genuinely spatial-stochastic gene regulation model of early mouse embryogenesis" erscheint in der renommierten Fachzeitschrift PLoS Computational Biology. Michaels Studie wendet erstmals KI-Inferenz-Methoden im Bereich komplexer entwicklungsbiologischer Modelle an.
24. September 2024
Michael Ramírez Sierra hat seine Dissertation am Fachbereich für Mathematik und Informatik der Goethe-Universität Frankfurt eingereicht. Auf etwa 200 Seiten beschreibt er in 5 wissenschaftlichen Kapiteln seine erfolgreiche Arbeit zu biophysikalischen Mechanismen in der Embryoentwicklung.
September 2024
Das FIAS veranstaltet vom 25.-27. September 2024 die diesjährige Giersch-Konferenz "From Multiscale Models to Digital Twins", mit Thomas Sokolowski als einem der Hauptorganisatoren.
15. Juli 2024
Wir haben unser neuestes Preprint mit dem Titel "Comparing AI versus Optimization Workflows for Simulation-Based Inference of Spatial-Stochastic Systems" online gestellt. Darin vergleicht Michael Ramírez Sierra die Performance von moderner KI-Inferenz mit klassischen Optimierungsmethoden.
13. - 16. Mai 2024
Michael Ramírez Sierra und Thomas Sokolowski nehmen Teil an der Konferenz "Physics of Cell Fate Decisions" (PCFD 2024) am IST Austria in Klosterneuburg, Österreich.
23. Februar 2024
Unter dem Titel "AI-powered simulation-based inference of a genuinely spatial-stochastic model of early mouse embryogenesis" haben wir ein neues Preprint veröffentlicht, welches den Hauptteil von Michael Ramírez Sierras Promotionsprojekt zur frühen Mausembryoentwicklung darstellt.
Februar 2024
Niklas Heuser hat sein Bachelorprojekt zur Diffusion von Signalmolekülen in inhomogenem Gewebe mit sehr guter Note abgeschlossen. Wir gratuieren!
01. - 03. Dezember 2023
Thomas Sokolowski reist an die Jagiellonen-Universität Krakau zu einem Invited Talk im Rahmen der Konferenz "Dynamics of biological systems: emergent phenomena at different scales".
06. - 10. November 2023
Unter dem Motto "Condensed Complexity-The Essence of Information Processing and Cognition?" organisieren wir eine interdisziplinäre Konferenz am FIAS, welche sich mit der Emergenz von Informationsverarbeitungsfähigkeit und Kognition in verschiedenen Systemen befassen wird. Näheres auf der Indico-Seite der Konfrenz.
01. Juni 2023
In Kollaboration mit unseren Partnern in Krakau, Amsterdam und Heidelberg haben wir ein neues Preprint mit dem Titel "Stable developmental patterns of gene expression without morphogen gradients" veröffentlicht.
März 2023
Thomas Sokolowski bietet den Online-Kurs "Grundlagen der Datenanalyse und Simulation mit MATLAB" an der Goethe-Universität an. Die Einschreibung endet Anfang Mai. Näheres dazu auf der Seite "Lehre".
11. Februar 2023
Unser Preprint mit dem Titel "Deriving a genetic regulatory network from an optimization principle" ist online! Diese Arbeit repräsentiert die Kulmination eines langjährigen Projekts zur theoretischen Herleitung es zentralen Genregulationsnetzwerks der frühen Fruchtfliegenentwickung.
15. Dezember 2022
Unsere Gruppe nimmt Teil am 2. CMMS-Workshop zur Modellierung und Simulation molekularer Systeme am FIAS in Frankfurt.
November 2022
Niklas Heuser (Studiengang Biophysik an der Goethe-Uni Frankfurt) beginnt bei uns ein Projekt, bei dem er die Diffusion von Signalmolekülen in inhomogenem Gewebe untersuchen wird.
14.-16. September 2022
Thomas Sokolowski folgt einer Einladung zur Teilnahme am Geburtstagssymposium für Prof. William Bialek an der City University of New York (CUNY).
04.-09. September 2022
Michael Ramírez Sierra und Thomas Sokolowski präsentieren unsere Forschungsergebnisse auf der DPG-Tagung der Sektion "Kondensierte Materie" in Regensburg.
Juli 2022
Unsere Gruppe beginnt eine Kollaboration mit der Gruppe von Marcin Zagórski von der UJ in Krakau, v.a. im Bereich der Theorien von Gewebeentwicklung unter stark stochastischen Bedingungen.
15.-17. Juni 2022
Thomas Sokolowski und Michael Ramírez Sierra präsentieren ihre Forschungsergebnisse bei der angesehenen q-Bio-Konferenz in Fort Collins, Colorado, welche dieses Jahr nach pandemiebedingter Pause wieder in Präsenz stattfinden kann.
April 2022
Michael Ramírez Sierra wurde als Gast-Lecturer zur diesjährigen UQ-Bio Summer School in Fort Collins, Colorado, eingeladen. Er wird dort auch auf der diesjährigen q-Bio Konferenz unsere Arbeit zur frühen Mausembryo-Entwicklung präsentieren.
Februar 2022
Mirjam Schulz (MSc in Biophysik, Goethe-Universität Frankfurt) absolviert in unserer Gruppe ein wissenschaftliches Praktikum. Sie erforscht hierin, ob und wie eine geschickte Anordnung von Bindungsstellen in Promoter-Regionen der DNA die Bindungsrate von Transkriptionsfaktoren optimal erhöhen kann.
Oktober / November 2021
Thomas Sokolowski bietet den Online-Kurs "Grundlagen der Datenanalyse und Simulation mit MATLAB" an der Goethe-Universität an. Die Einschreibung endet Anfang November. Näheres dazu auf der Seite "Lehre".
29. September - 01. Oktober 2021
Michael Ramírez Sierra und Thomas Sokolowski halten Vorträge auf der "Cell Physics 2021" Konferenz an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken.
09. - 11. Juli 2021
Gemeinsam mit 4 anderen neu gegründeten Forschungsgruppen im Rhein-Main-Gebiet beteiligen wir uns an einem wissenschaftlichen Symposium und einer anschließenden Ganztagswanderung im Taunus.
Mai 2021
Michael Ramírez Sierra erhält einen der wenigen begehrten Teilnahmeslots an der diesjährigen (virtuellen) q-bio summer school.
02. März 2021
Ein Kurzfilm, der die Forschungsansätze unserer und 3 weiterer am FIAS neu gegründeter Forschungsgruppen erklärt, ist nun publik auf dem FIAS YouTube Channel.
22. Februar - 04. März 2021
Wir nehmen Teil an der (virtuellen) "Giersch Summerschool & International Conference on Theoretical and Quantitative Cell Biology" (GSIC 2021) am FIAS.
15. Februar 2021
Gemeinsam mit Kollaboranten vom IST Austria publizieren wir eine Studie in Neuron, einer der einflussreichsten Fachzeitschriften der Neurobiologie. In der Publikation formalisieren wir ein breit anwendbares theoretisches Konzept, welches sogenannte "optimization priors" verwendet, um mit Annahmen über die Optimalität biologischer Systeme die statistische Inferenz an ihnen zu verbessern.
01. September 2020
Wir begrüßen Michael Alexander Ramírez Sierra als ersten Doktoranden in unserer Gruppe. In seinem Projekt wird er mittels ereignisgesteuerter stochastischer Simulationen Mechanismen zur robusten Gewebeentwicklung ergründen.
01. April 2020
Thomas Sokolowski wird neuer Gruppenleiter und Fellow am FIAS und dem neu gegründeten "Center for Multiscale Modeling in Life Sciences" (CMMS, Frankfurter Zentrum für Mehrskalen-Modellierung).