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Biophysik

Der Forschungsbereich Biophysik befasst sich mit der physikalischen Beschreibung von biologischen Systemen. Ziel ist es, physikalische Prinzipien in der Biologie zu identifizieren und zu verstehen. Dazu werden neue physikalischen Messmethoden und Modellierungs-Konzepte entwickelt und angewendet. Die Komplexität der lebenden Materie bietet die faszinierende Gelegenheit, vollkommen neue physikalische Gesetzmäßigkeiten zu entdecken.
Ein Verständnis der molekularen Mechanismen, die Leben ermöglichen oder Krankheiten verursachen, ist ein zentrales Ziel der Forschung. Auf der anderen Seite können diese Erkenntnisse auch bei der Diagnose und Heilung von Krankheiten eingesetzt werden.

Zelluläre und molekulare Biophysik

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Die mechanischen Eigenschaften von einzelnen Molekülen können mit modernen Experimenten entschlüsselt werden. Hier wird das fluoreszierende Protein GFP mit einem Kraftmikroskop auseinandergezogen.

Die Kombination von modernen ultrasensitiven Messmethoden ermöglicht einzigartige Einblicke in die Funktionsweise von lebenden Zellen bis in die Ebene von einzelnen Molekülen. Ein zentrales Thema der modernen zellulären und molekularen Biophysik ist die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von biologischen Systemen mit dem Ziel die Mechanik von Zellen und einzelnen Molekülen zu verstehen. Durch Kombination von biochemischen und biophysikalischen Methoden ist es auch möglich neuartige Nanobauteile herzustellen, um einzelne Moleküle gezielt zu manipulieren. Eine wichtige Voraussetzung für diese interdisziplinäre Forschung ist die Weiterentwicklung und Anwendung von mechanischen und optischen Einzelmolekülmethoden, sowie hochauflösenden Mikroskopiemethoden.

Arbeitsgruppen

Simulation und Modellierung

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Wasser an Oberflächen und in Carbon-Nanotubes kann mit elektrischen Feldern manipuliert werden. Durch spezielle Wahl von Feldern wird eine Nano-Pumpe realisiert, die ähnliche Funktionen wie biologische Pumpen in Zellen ausübt.

Simulations- und Modellierungsmethoden haben in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht und erlauben heute die Untersuchung von biologisch relevanten Prozessen und Strukturen auf dem Computer. Beispiele umfassen die Struktur und Dynamik der DNS, von Proteinen und von Wasser. Der Träger unseres Erbgutes, die DNS, ist ein fadenförmiges Molekül. Bei den wichtigen Prozessen der Genregulation in der Zelle tritt dieses Molekül in Wechselwirkung mit Proteinen und wird dabei in der Form und Struktur verändert. Mit modernen Simulationsmethoden können diese Veränderungen vorhergesagt werden. Dabei kommen sowohl atomistische Simulationsmethoden zum Einsatz, bei denen jedes Atom der Struktur und insbesondere auch das einbettende Wasser voll aufgelöst wird, aber auch vergröberte Simulationsmethoden (so genannte coarse-grained Modelle) bei denen größere Strukturen und längere Zeitskalen aufgelöst werden können. Auch die Modellierung mit analytischen Rechenmethoden ist oft möglich.

Die Funktion von Proteinen wird durch ihre räumliche Struktur ermöglicht. Insbesondere bei Faltungsvorgängen oder bei der molekularen Erkennung ändern sich die Strukturen. Diese molekularen Übergänge werden mit Simulationen und mit Methoden der Stochastik erforscht. Bei allen Strukturen und Vorgängen spielt Wasser und die Anwesenheit von Ionen eine sehr wichtige Rolle. Auch hier gibt es noch viele Rätsel und aktuelle Forschungsgebiete. So ist die Ursache der Dichteanomalie von Wasser (Wasser hat bei 4 Grad Celsius die größte Dichte) noch unklar. Auch die Tatsache dass sich Öl und Wasser nicht mischen (der so genannte hydrophobe Effekt) ist biologisch sehr wichtig aber nicht in allen Feinheiten verstanden.

Arbeitsgruppen

Dynamik von Biosystemen

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Eidechsen wie der Tokay gecko (links) orten eine Schallquelle mittels Schwingungsdifferenzen der beiden Trommelfelle (rechts, in blau), die durch die Mundhöhle gekoppelt sind. Die Tiere werten Zeitunterschiede und Amplitudenunterschiede neuronal aus. Dabei spielen die Eigenmoden der Mundhöhle (rechts exemplarisch die zweite Eigenmode, Isobaren in grau) eine wichtige Rolle.

Biologische Systeme sind hochdynamisch und viele ihrer Eigenschaften beruhen auf dem komplizierten Wechselspiel einer Vielzahl molekularer Komponenten oder Organisationseinheiten. Unser Ziel ist es, verschiedenste Aspekte dieser Dynamik besser zu verstehen und auch zu steuern.

Auf der mikroskopischen Ebene spielt thermisch getriebenes, stochastisches Verhalten eine wesentliche Rolle. Auch laufen viele Prozesse ab, die biochemische Energie verbrauchen und damit z.B. gerichtete Bewegung erzeugen. Biosysteme sind deshalb fern vom thermodynamischen Gleichgewicht. Ihre komplexe Struktur verursacht oft Abweichungen vom Standardverhalten einfacherer Systeme, was zu spannenden neuen physikalischen Fragestellungen führt. Beispielsweise vollführen passive Teilchen im superdichten Zellinneren eine sogenannte "anomale Diffusionsbewegung". Diese wiederum trägt zum Verständnis vielfältiger molekularer Prozesse wie der Genregulation, zellulärer Verteidigungsmechanismen oder der Zellteilung bei.

Auf der Ebene neuronaler Zellverbände sind wir an sensorischer Informationsverarbeitung interessiert. Auf Basis verschiedener Inputs von Hör- und Sehorganen, aber auch des Seitenliniensystems von Fischen und Fröschen oder des Infrarotorgans von Schlangen wird im Gehirn eine einheitliche Darstellung der sensorischen Umgebung gebildet, die eine Entscheidungsfindung ermöglicht. Speziell die Dynamik dieser Prozesse steht hierbei im Zentrum unseres Forschungsinteresses.

Ein Hauptaspekt des Arbeitsbereiches Dynamik von Biosystemen ist es, die oben beschriebenen dynamischen Prozesse experimentell und theoretisch zu untersuchen, indem sie in synthetischen biologischen Systemen kontrolliert "nachgebaut" oder mit Hilfe mathematischer Modelle analysiert werden. Dabei interessieren wir uns besonders für die Selbstorganisation biomolekularer und zellulärer Strukturen, die Optimierung der zugrundeliegenden aktiven und passiven Suchprozesse, sowie die sich daraus ergebende Informationsverarbeitung in biochemischen und neuronalen Netzwerken.

Arbeitsgruppen

Biomedizinische Physik

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Mikro-Computertomographie-Aufnahme der Blutgefässstruktur eines Mäusehirns.

Die biomedizinische Physik erforscht die Anwendung von Prinzipien und Methoden der Grundlagenphysik auf medizinische Fragestellungen der vorklinischen oder klinischen Forschung. Im Fokus der Forschung stehen insbesondere neue bildgebende Methoden zur verbesserten Früherkennung und Diagnostik von Krankheiten, wie Krebs und Osteoporose, sowie deren Heilung durch den Einsatz neuartiger physikalischer Prinzipien. Ein weiteres Ziel ist ein molekulares Verständnis von Krankheiten, insbesondere solcher, die durch Amyloide verursacht werden (wie z.B. Parkinson oder Alzheimer). Die Erforschung, Entwicklung, und klinische Umsetzung neuartiger Röntgen-, Magnetresonanz-, oder Positronenemissions-Bildgebungsmethoden wird in enger Zusammenarbeit mit dem Zentralinstitut für Medizintechnik (IMETUM) und Medizinern am Klinikum rechts der Isar durchgeführt.

Arbeitsgruppen

Ansprechpartner des Fachbereichs Biophysik

  • (Sprecher)
  • (Fachmentor)