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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".

Neuigkeiten

Mobirise

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.

Mobirise

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.

Mobirise

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".

Mobirise

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.

Mobirise

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.

Mobirise

Mai 2021

Michael Ramírez Sierra erhält einen der wenigen begehrten Teilnahmeslots an der diesjährigen (virtuellen) q-bio summer school.

Mobirise

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.

Mobirise

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.

Mobirise

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.

Mobirise

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.

Mobirise

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).

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