Mit Mathematik den Genen auf der Spur

Noch Anfang des Jahres war die Zukunft der wissenschaftlichen Laufbahn von Dr. Anna Marciniak-Czochra vom Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg ungewiss.

Seit einigen Wochen ist jedoch klar, dass sie eines der Stipendien des Europäischen Forschungsrates (ERC) erhält. Mit 750 000 Euro, verteilt auf fünf Jahre, wird das Forschungsprojekt von Anna Marciniak-Czochra „BioStruct: Multiscale mathematical modelling of dynamics of structure formation in cell systems“ finanziert. Zusätzlich wird sie durch das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt werden.

Für die aus Polen stammende Mathematikerin ein wichtiger Schritt in die Zukunft, war sie doch nach ihrer Dissertation bei Professor Willi Jäger vom IWR zunächst als Post-Doktorandin im dort angesiedelten Graduiertenkolleg und später im Zentrum für Modellierung und Simulation in den Biowissenschaften (BIOMS) tätig. Seit August vergangenen Jahres wird sie durch das WIN-Kolleg der Heidelberger Akademie der Wissenschaften gefördert. Nun kann sie ihre Forschungsarbeiten zur „mathematischen Musterbildung in biologischen Systemen“ gezielter vorantreiben, denn neben ihrer eigenen Stelle, wird eine Nachwuchsgruppe aus dem Stipendium und dem Emmy Noether-Programm finanziert.

Bei ihrer Forschung geht es darum, die chemischen Reaktionen und den Transport von Molekülen in biologischen Systemen zu erkennen und vorherzusagen. Eine nicht ganz einfache Angelegenheit. „Biologische Modelle sind komplex“, erläutert die 34-jährige Anna Marciniak-Czochra. Denn die Bewegungen der Moleküle in Raum und Zeit müssen modelliert werden, wobei recht große Skalenunterschiede auftreten können. So sind Bewegungen auf molekularer Ebene genauso zu berücksichtigen, wie Bewegungen im Zellverband und das innerhalb verschiedenster Zeiteinheiten.

„Um das alles richtig beschreiben zu können, braucht man die Mathematik“, betont Anna Marciniak-Czochra. Etwa, wenn es um die Verteilung von so genannten WnT-Genen (gesprochen Wint-Gene) bei Experimenten der Arbeitsgruppe von Professor Thomas Holstein vom Institut für Zoologie der Ruperto Carola mit dem Süßwasserpolypen Hydra vectensis geht. Wird beispielsweise der Kopf des Süßwasserpolypen angeschnitten, so erfolgt dort eine massive Exprimierung des WnT-Gens. Dieses Gen ist nämlich für die Regeneration und Entwicklung eines Organismus mit zuständig. Das WnT-Gen wird aber nur an bestimmten Stellen ausgeschüttet und das auch noch zeitlich unterschiedlich. „Wir können mit unseren Modellen vorhersagen, was passieren wird, und aussagen, welche Experimente notwendig sind, um die Richtigkeit der Vorhersagen zu überprüfen“, beschreibt die Mathematikerin die Vorzüge ihrer Arbeit.

Auch bei der Krebsforschung kommt die Mathematik zum Einsatz. So wachsen bestimmte Krebszellen nicht von einer Mutterzelle aus, sondern entwickeln sich plötzlich entlang komplexer Strukturen. Zellwachstum, Zellteilung, Diffusion, Zelldifferenzierung und Mutation spielen dabei eine Rolle. Und das lässt sich mit mathematischen Modellen beschreiben. „Dabei ist für jede Fragestellung ein neues mathematisches Modell notwendig“, erklärt Anna Marciniak-Czochra. Manchmal können bereits bestehende mathematische Modelle für eine Fragestellung verwendet oder weiter entwickelt werden. „Bei Mutationen muss jedoch eine ganz neue Art von Gleichungen geschaffen werden“, weiß die Mathematikerin und so wird sie das Stipendium dazu nutzen derartige Gleichungen, Modelle und Simulationen zu entwerfen.

Stefan Zeeh

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Dr. Anna Marciniak-Czochra
Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR)
Tel. 06221 548971
anna.marciniak@iwr.uni-heidelberg.de