FORSCHUNGSBEREICH
Die elementare Einheit des Lebens ist die Zelle. Biologische Zellen gibt es in vielen verschiedenen Größen und Formen, aber sie verwenden alle die gleichen Moleküle (hauptsächlich Nukleinsäuren und Proteine), weil sie alle einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben. Diese Moleküle fügen sich dann aufgrund der physikalischen Gesetze, ohne die man die Strukturbildung in biologischen Systemen nicht verstehen kann, selbst zu größeren Strukturen zusammen. Das Gleiche gilt auf zellulärer Ebene: Größe und Form von Zellen werden stark von den physikalischen Eigenschaften ihrer Umgebung bestimmt, die von flüssigen Umgebungen wie dem Blutfluss über viskose Umgebungen wie dem Schleim im Darm bis hin zu elastischen Umgebungen wie der extrazellulären Matrix des Bindegewebes reichen. In den letzten Jahren hat sich die Mechanik als zentrales Element der Zell- und Gewebedynamik herauskristallisiert und ergänzt die traditionelleren biochemischen Ansätze. Mit physikalischen Werkzeugen wie Lithographie, Mikrostrukturierung und -fabrikation (insbesondere 3D-Druck) und Mikrofluidik kann man heute zelluläre Umgebungen entwerfen, um die Zellfunktionen zu verstehen und zu kontrollieren. Eine wichtige Forschungsrichtung in Heidelberg ist auch der Versuch, mit physikalischen Werkzeugen wie der Mikrofluidik synthetische Zellen von Grund auf zu bauen. Solche Ansätze führen zu quantitativen Daten, die einen idealen Ausgangspunkt für die quantitative Datenanalyse und Modellierung darstellen. Zelluläre Studien müssen in einem Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Prozesse verankert sein. In Heidelberg arbeiten wir an neuen Methoden zur Charakterisierung von Biomolekülen und ihrer Assemlierungen, einschließlich der Röntgenbeugung und des Freie-Elektronen-Lasers, der Elektronenkryomikroskopie und Phasenplatten sowie der Superauflösungsmikroskopie (z. B. STED und MINFLUX).
Theoretische Physik der komplexe Biosysteme (Gruppe: U. Schwarz)
Theoretische biophysik (Gruppe: D. Heermann)
Experimentelle zellulare Biophysik (Gruppe: J. Spatz)
Physikalosche Chemie von Biosysteme (Gruppe: M. Tanaka)
Electron Kryomikroscopie (Gruppe: R. Schroeder)
Biomolekulare Mechanismen (Gruppe: I. Schlichting)
Unsere Forschung umfasst die Bereiche weiche Materie und biologische Physik. Insbesondere sind wir an Konzepten und Methoden zum Verständnis der Adhäsion und Mechanik von Zellen interessiert. Unser Interesse auf zellulärer Ebene verzweigt sich auch auf die subzelluläre Ebene (Aufbau supramolekularer Komplexe in Zellen) und auf den multizellulären Kontext (Modellgewebe, kollektive Migration). Die Gruppe verwendet Methoden aus der statistischen Physik, der Computerphysik, der Kontinuumsmechanik, der nichtlinearen Dynamik und der stochastischen Dynamik.
Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung von Multiskalen-Molekularsimulationsmethoden für Materialien aus weicher, kondensierter Materie. Unser besonderes Interesse gilt der Nutzung der Multiskalenmodellierung zur Erforschung des chemischen Verbindungsraums. Die Gruppe entwickelt Methoden zur Beschleunigung der Erkundung des Verbindungsraums mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen mit hohem Durchsatz. Übertragbare grobkörnige Modelle sind in der Lage, die Größe des chemischen Raums zu reduzieren - eine Eigenschaft, die wir nutzen, um die thermodynamischen Eigenschaften einer großen Teilmenge chemischer Verbindungen leichter zu erkunden. Grobkörnige Modelle erleichtern auch die Identifizierung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Designregeln für die Entdeckung von Molekülen. Zu den weiteren Aktivitäten gehören die Entwicklung von Methoden für grobkörnige Modelle, maschinelles Lernen für weiche Materie, dynamische Neugewichtung von Nicht-Gleichgewichten, Entwicklung von Kraftfeldern sowie Simulationen von Polymeren, Proteinen und Phospholipidmembranen.
