GRK 2749:  Biologische Uhren auf multiplen Zeitskalen

• Fachliche Zuordnung: Neurowissenschaften ; Mikrobiologie, Virologie und Immunologie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
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• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448909517

Periodische Phänomene sind ubiquitär in der unbelebten, wie belebten Natur. Geophysikalische Rhythmen, wie die Rotation der Erde um ihre Achse, haben die Evolution des irdischen Lebens entscheidend geprägt. Sie führten zur Entwicklung biologischer Uhren die Organismen ermöglichen sich auf regelmäßige externe Änderungen, wie den täglichen 24h-Wechsel von Licht und Dunkel, vorausschauend vorzubereiten. Neben den circadianen Uhren entwickelten sich auch schnellere ultradiane und langsamere infradiane Oszillatoren mit Periodenlängen von wenigen Millisekunden bis Stunden, Tagen, oder sogar Jahren. Diese biologischen Oszillatoren/Uhren definieren und takten die biologische Zeit, die sich dehnen und kontrahieren kann. Herauszufinden, ob biologische Oszillatoren endogene Uhren sind und sich auf unterschiedlichen Zeitskalen synchronisieren, ist eine fundamentale wissenschaftliche Aufgabe mit hoher medizinischer Relevanz. Während circadiane Uhren intensiv erforscht werden, ist noch weitgehend unverstanden, ob sie mechanistische, molekulare, evolutiv konservierte Gemeinsamkeiten mit infra- oder ultradianen Oszillatoren teilen. Unsere Hypothese ist, dass „master clocks“ in Plasmamembranen und Zellkernen sehr anpassungsfähig ausgelegt sind und ineinander eingebettete, verkettete Oszillationen generieren. Dadurch können sie sich gleichzeitig mit überlagerten externen Rhythmen (Zeitgebern) unterschiedlichster Zeitskalen durch Resonanz synchronisieren. Durch interagierende Signal-Kaskaden koppeln sich Hauptuhren und nachgeschaltete Oszillatoren und weben so biologische Zeit mit dem circadianen Rhythmus als fundamentaler Taktung für Licht-sensitive Organismen. Um diese neue Hypothese zu testen, werden biologische Oszillationen/Uhren in Algen, Hefen, Tardigraden und Insekten verglichen, die Rhythmen in Reproduktion und Lebensdauer, in Entwicklung, Physiologie und Verhalten steuern. Biologische Oszillatoren/Uhren auf unterschiedlichen Zeitskalen quantitativ zu erforschen übersteigt biologische Analysemethoden. Sie erfordert eine enge wechselseitige Interaktion zwischen Biologen und Theoretikern aus Mathematik, Physik und Systemtheorie, sowie die Verknüpfung modellbasierter Hypothesengenerierung und Systemanalyse mit experimenteller Hypothesentestung. Im Graduiertenkolleg „multiscale clocks“ bauen daher Vertreter dieser Disziplinen ein gemeinsames Graduiertenprogramm auf, das fokussiert auf das beschriebene Forschungsthema interdisziplinäre und individualisierte Ausbildung ermöglicht. Das Qualifikationsprogramm kombiniert dabei verpflichtende und wählbare Inhalte mit durch Online-Medien unterstützte Kurse, Seminare und Vorlesungen. Für die Promovierenden entsteht so im klar strukturierten PhD- Programm ein -hoher Mehrwert durch fachübergreifende, fundierte Grundlagen in Verbindung mit individueller Spezialisierung. Die Universität Kassel bietet hierfür mit dem Forschungszentrum CINSaT, in das sich „multiscale clocks“ einbettet, exzellente Voraussetzungen.

• DFG-Verfahren: Graduiertenkollegs
• Antragstellende Institution: Universität Kassel
• Sprecherin: Professorin Dr. Monika Stengl
• beteiligte Wissenschaftlerinnen / beteiligte Wissenschaftler: Professorin Dr. Elfriede Friedmann; Professor Dr. Thomas Fuhrmann-Lieker; Professor Dr. Martin Ezequiel Garcia; Professor Dr. Friedrich-Wilhelm Herberg; Dr. Katja Kapp; Dr. Roland Klassen; Professor Dr. Georg Mayer; Professor Dr. Arno H.J. Müller; Privatdozentin Susanne Neupert, Ph.D.; Professor Dr. Cyril Popov; Professor Dr. Raffael Schaffrath; Professor Dr. Werner M. Seiler; Professor Dr.-Ing. Olaf Stursberg