Mathematische Modellierung und Simulation zellulärer Systeme

Gruppen-Mitglieder: Nicole Radde, Vera Tahedl, Amatus Beyer, Benjamin Castellaz, Moritz Schweller, Georg Bail, Reza Mehdizadeh und Fabian Klötzer.

Das Leben auf unserem Planeten ist faszinierend und hat eine erstaunliche Komplexität. Wie schafft es eine Bakterienzelle, sich an unterschiedliche Bedingungen anzupassen und zuverlässig auf äußere Einflüsse und Signale zu reagieren? Welche Prozesse spielen sich im Körper bei der Entstehung von Krankheiten ab und wie kann man hier wirksam gegensteuern? Welche Abwehrmechanismen hat unser Körper parat, um sich vor Krankheiten zu schützen? Wie kommunizieren verschiedene Zellen unseres Körpers miteinander und was passiert, wenn diese Kommunikation gestört ist? 

All dies sind spannende Fragen, für die es hilfreich ist, lebende Systeme als komplexes dynamisches Netzwerk miteinander interagierender Komponenten zu verstehen. Wir interessieren uns in erster Linie für Prozesse und Regulierungsmechanismen auf sehr kleiner Skala. Genauer gesagt für Zellen, welche zu klein sind um vom menschlichen Auge erkannt zu werden. Unsere Forschung beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung, Simulation und Analyse von zellulären und intrazellulären Prozessen und deren Zusammenhang mit phänotypischen Merkmalen auf größeren Skalen. 

Wir möchten zu einem besseren ganzheitlichen Verständnis dieser Prozesse beitragen. Letztendlich mit dem Ziel, diese Prozesse verändern und gezielt beeinflussen zu können. Wir forschen in enger Zusammenarbeit mit Kolleg*innen aus den Lebenswissenschaften. Unsere Schwerpunkte sind hierbei Konzepte für eine Daten-getriebene Modellierung und die Integration von Einzelzell- und sogenannten „bulk“-Daten, also Mittelwerte aus mehreren Zellen, in Computermodelle. Wir verwenden hierzu vorwiegend statistische Methoden, welche es erlauben, Unsicherheiten in allen Modellgrößen konsistent abzuschätzen. Meine Vision ist es, ausgehend von empirischen Evidenzen und mathematischen Modellen zu zuverlässigen Vorhersagen über die Funktionsweise biologischer Systeme zu kommen und letztendlich diese Systeme besser zu verstehen und auch gezielt beeinflussen oder nutzen zu können. Schwerpunkte unserer Arbeit sind konkret: 

1. Daten-basierte Modellierung und Modell-basiertes Design zellulärer Prozesse
2. (Stochastische) Modellierungsansätze zur Beschreibung von Heterogenität in Zellpopulationen
3. Statistische Methoden für die Modellidentifikation und Unsicherheitsabschätzunge