Projektbeschreibung
Agentenbasierte Simulation hilft, Verhalten biomolekularer Kondensate zu erklären
Organismen bestehen größtenteils aus Wasser mit vielen eingestreuten Biomolekülen, Verbindungen und Ionen. Innerhalb der Zellen bilden diese Bestandteile verschiedene Kompartimente, um Funktionen zu erfüllen. Während große Kompartimente häufig von einer Membran umgeben sind, bilden sich die meisten kleineren Kompartimente spontan aus den Wechselwirkungen zwischen den verstreuten Molekülen. Folglich verhalten sich diese biomolekularen Kondensate ähnlich wie Flüssigkeitströpfchen. Fehlfunktionen bei ihnen sind mit Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson und Krebs verknüpft. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts EmulSim wird untersucht, wie gesunde Zellen ihre Kondensate auf allen Längenskalen kontrollieren, um herauszufinden, warum sie im Krankheitsfall nicht mehr richtig funktionieren. Die Erkenntnisse werden zu einem neuartigen agentenbasierten Simulationsrahmen führen, der die Entwicklung neuer Therapeutika unterstützt.
Ziel
Biological cells consist of a myriad of interacting biomolecules that collectively arrange in stable structures. For example, molecules undergo phase separation to form so-called biomolecular condensates. We now know that malfunctioning condensates can cause diseases like Alzheimer’s, Parkinson’s, and cancer. Yet, we do not understand how condensates become malfunctioning and how healthy cells control them. Some challenges in understanding condensate dynamics are that cells are heterogeneous, have complex material properties, and exhibit significant thermal fluctuations. Biological cells are also alive and use fuel molecules to control processes actively. I recently showed that active chemical reactions could generally affect the dynamics of droplets. However, it is unclear how such active droplets behave in the complex environments inside cells.
EmulSim will study how cells control biomolecular condensates and provide a novel integrated simulation method incorporating relevant processes on all length scales. On the scale of individual droplets, I will investigate the influence of driven reactions and elastic material properties of droplets. On the cellular scale, I will study the effect of the elastic cytoskeleton and the presence of multiple compartments. For each of these processes, I will derive experimentally verified models using examples of relevant biological processes, including cell division, chromatin organization, and signaling. Combining the physical theories for these critical processes will culminate in an agent-based model describing a collection of droplets, ultimately also including number fluctuations. This novel simulation framework will model biomolecular condensates in their cellular environment. Taken together, EmulSim will propel our understanding of biomolecular condensates and lay the ground for the development of novel therapies in medicine.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
HORIZON-ERC - HORIZON ERC GrantsGastgebende Einrichtung
80539 Munchen
Deutschland