Was sind biologische Signale und warum sind sie wichtig?

Biologische Signale sind Signalmoleküle, Stoffwechselprodukte, physikalische Reize und deren Kombinationen. Zwischen den Zellen komplexer Lebewesen findet ein ständiger, eng vernetzter und dynamischer Austausch solcher biologischer Signale statt. Dieser Austausch ist ein wichtiger Baustein von grundlegenden (über)lebenswichtigen Prozessen – wie etwa der Koordination der Aufgaben von Zellen, der Gewebebildung und der Anpassung an Umweltbedingungen. Entsprechend ist ein umfassendes Verständnis dergrundlegenden Prinzipien biologischer Signalübertragung und -integration beispielsweiseein Schlüssel für die Identifizierung von Krankheitsursachen, die Grundlage für die Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeitenvon Krankheiten und ein Meilenstein auf dem Weg zu einer resilienten und nachhaltigen Landwirtschaft.

Die molekulare „Sprache des Lebens“ verstehen

Wir sprechen von der molekularen „Sprache des Lebens“, da die von uns untersuchten Signalprozesse so grundlegend für das Leben und Überleben von Organismen sind. Diese Sprache wollen wir in CIBBS verstehen und gewissermaßen „sprechen“ lernen. Wir verfolgen dazu einen Ansatz, der innerhalb der Signalforschung innovativ ist und in dessen Zentrum die Integration der Signale steht – die Mechanismen, durch die unterschiedliche Signale über räumliche und zeitliche Skalen hinweg verrechnet, d.h. gesendet, empfangen und interpretiert werden. Wir untersuchen dazu beispielsweise, wie Molekülkomplexe, Zellen und ganze Gewebe vielfältige, gleichzeitig empfangene Signale verarbeiten. Und wir fragen danach, wie daraus Entscheidungen resultieren, die sich unmittelbar oder langfristig auf den betreffenden Organismus auswirken. Wie beeinflusst die Umwelt, d.h. beispielsweise Temperaturunterschiede, wechselnde Lichtverhältnisse, Veränderungen in der Luft- und Bodenfeuchtigkeit, vorhandene Schadstoffe usw., Signalprozesse? Und wie beeinflusst der Stoffwechsel – der Prozess der Nährstoffaufnahme, -umwandlung und Umsetzung in Energie und Baumaterialien für Zellen und Gewebe – die Wirkung von Signalen?

Wie werden Signale integriert (verrechnet) und wie werden auf dieser Basis Entscheidungen getroffen?

Signale beeinflussen sich gegenseitig und haben abhängig vom jeweiligen Kontext unterschiedliche Bedeutungen. Für uns ist es daher entscheidend, die wesentlichen Signalwege für verschiedene Prozesse zu identifizieren. Wir wollen erforschen, wie der jeweilige Kontext – beispielsweise der Zell- und Organellentyp, das Entwicklungsstadium oder die Umgebung – die Bedeutung und Integration von Signalen beeinflusst. Außerdem analysieren wir, wie Signale, die gleichzeitig, miteinander kombiniert, zeitlich gestaffelt oder in verschiedener Intensität gesendet und empfangen werden, integriert und verrechnet werden.

Die molekulare „Sprache des Lebens“ sprechen: biologische Signale präzise kontrollieren und für Innovationen nutzbar machen

Aufbauend auf einem wachsenden Grundlagenverständnis der Signalintegration entwickeln die Forschungsgruppen in CIBSS auch Methoden und Instrumente zur präzisen Steuerung von Signalen. Eine gezielte Kontrolle der Funktion (control-of-function) von Signalen macht es möglich, die molekulare „Sprache des Lebens“ in diesem Sinne nicht nur zu verstehen, sondern gewissermaßen zu „sprechen“.
Neue Werkzeuge der Chemie und der synthetischen Biologie ermöglichen eine solche präzise Kontrolle der Funktion von Signalwegen. Wir wollen herausfinden, wie wir das für Forschung und Innovation nutzen können und wie wir Signalprozesse verändern und Strategien entwickeln können, um sie beispielsweise mit Licht – optogenetisch – oder mit Wirkstoffen präzise zu steuern.

Ethische, rechtliche und soziale Aspekte der Signalforschung

Die Forschung, die CIBSS betreibt und die Innovationen, die wir anstoßen, ermöglichen Fortschritte in der Medizin und der Landwirtschaft, die das Leben aller Menschen verbessern können. Genauso kann die Erforschung biologischer Signalprozesse ethische, rechtliche und soziale Fragen aufwerfen, insbesondere im Bereich der Genetik und der biotechnologischen Anwendungen. Um sicherzustellen, dass die im Rahmen unserer Forschung entwickelten und angewendeten Technologien und Methoden verantwortungsvoll und mit Weitblick zum Einsatz kommen, prüfen wir deren gesellschaftliche, ethische und rechtliche Implikationen sorgfältig, begleiten die Entwicklung neuer Technologien von Anfang an mit einem Dialog über Wissenschaft und Technologie und analysieren den ethischen und rechtlichen Rahmen innerhalb dessen wir uns bewegen. So wollen wir den verantwortungsvollen Umgang mit biologischen Informationen und Technologien gewährleisten und unseren Teil dazu beitragen, die Gesellschaft vor potenziellen Risiken zu schützen.

Woher kommen unsere Ressourcen und wie werden sie verwendet?

CIBSS wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder(ExStra) als ein Exzellenzcluster gefördert – als ein Verbund aus Forscher*innen, der exzellente und international konkurrenzfähige Forschungsprojekte zu einem bestimmten Thema an einer deutschen Universität durchführt. Ziel der Exzellenzstrategie ist es, den Forschungsstandort Deutschland langfristig zu stärken und seine internationale Wettbewerbsfähigkeit weiter zu verbessern. Unsere Förderung ist Ergebnis eines bundesweiten Wettbewerbs, innerhalb dessen unser umfangreicher Forschungsantrag in einem kompetitiven zweistufigen Verfahren unter Beteiligung führender nationaler und internationaler Wissenschaftler:innen sowie der für Forschung zuständigen Minister:innen der Länder und des Bundes positiv bewertet wurde. Unser Forschungsprogramm wird mit zunächst 37 Millionen Euro für den Zeitraum von 2019 bis 2025 gefördert, unser Antrag auf eine zweite Förderperiode (2026-2032) wurde kürzlich bewilligt (Neuigkeiten).

_{Bild Kopfzeile: © Michal Rössler / Universität Freiburg}