4. Forschungsschwerpunkt

DIE PROJEKTE
PRINZIPIEN DER ENTWICKLUNG UND FORMGEBUNG IN DER BIOLOGIE
Sprecher: Dirk Hartmann.
Kollegiaten:
Dirk Hartmann1, Almut Köhler2, Fernanda Rossetti3, Mihaela Zigman4.
Mitarbeiter: Christina Deichmann2, Alice Schwede3.
1 Zentrum für Modellierung und Simulation in den Biowissenschaften (BIOMS) &
Institut für Angewandte Mathematik, Universität Heidelberg
2 Molekulare Entwicklungs- und Zellphysiologie, Universität Karlsruhe
3 Institut für Physikalische Chemie, Universität Heidelberg
4 Institut für Zoologie, Molekulare Evolution und Genomik, Universität Heidelberg
Der tierische Organismus besteht aus einer Vielzahl von Zellen, die ursprünglich aus
einer einzigen Zelle durch fortlaufende Zellteilungen hervorgegangen sind. Aller-
dings reichen einfache Zellvermehrungen allein nicht aus, um einen tierischen
Organismus in seinem bekannten charakteristischen Erscheinungsbild entstehen zu
lassen. Vielmehr müssen alle Zellen richtig miteinander verbunden, räumlich und
zeitlich spezialisiert sowie organisiert werden, um funktionelle Gewebestrukturen
bilden zu können. Das Verständnis der Prinzipien dieser Prozesse ist eine der großen
ungelösten Fragestellungen der Biologie.
Faltungsprozesse spielen hierbei eine zentrale Rolle. Durch diese werden
zunächst homogene Zellverbände weiter untergliedert, so dass die verschiedenen
Körperschichten mit ihren Hohlräumen und Organen entstehen. Im Vordergrund
der Faltungsprozesse stehen dabei Veränderungen der mechanischen Eigenschaften
von Zellen. Diese Veränderung wird sichtbar durch eine Änderung in der Polarität
der Zelle, d. h. der Organisation der Substrukturen innerhalb einer Zelle. Kontrol-
liert werden diese Prozesse durch ein hoch komplexes System steuernder Gene.
In diesem Projekt untersuchen wir die Rolle der zellulären Polarität als
Schnittpunkt all dieser Parameter während des entscheidenden Moments der Initia-
tion des Faltungsprozesses in homogenen Zellschichten. Hierbei konzentrieren wir
uns auf zwei Modellorganismen der Entwicklungsbiologie: den Süßwasserpolyp
Hydra und den Krallenfrosch Xenopus. Ein Vergleich dieser evolutionär weit entfern-
ten Modellorganismen ermöglicht es, evolutiv konservierte molekulare Mechanis-
men der Formbildung zu identifizieren.
Die Verwendung von neuen biophysikalischen Ansätzen innerhalb dieses Pro-
jektes erlaubt es, Morphogengradienten auf zweidimensionalen Substraten kontrol-
liert zu generieren. Durch Einsatz dieser neuen Substrate können die Prozesse der