Statistical physics of gene regulation: towards a physical underpinning of Systems Biology

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Die Systembiologie strebt ein quantitatives Verständnis von komplexen zellbiologischen Prozessen aus dem Zusammenspiel der molekularen Bausteine an. Auf der untersten Ebene werden diese Prozesse durch die signalabhängige Regulation der Genexpression gesteuert. Diese beruht vorwiegend auf sequenzspezifischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und der DNA. Während viele experimentelle Daten zu diesen Wechselwirkungen zur Verfügung stehen, gibt es kaum Untersuchungen aus physikalischer Sicht über deren Zusammenspiel in der zellulären Signalverarbeitung. Im Gegensatz zu den Sequenzanalysen der Bioinformatik, wird dieses Forschungsvorhaben die Transkriptionsregulation als physikalischen Prozess mit den Methoden der statistischen Physik untersuchen. Zum Beispiel soll die Kinetik der Selbstorganisation von Proteinkomplexen auf der DNA betrachtet werden. Eine zentrale Frage betrifft Kriterien für die optimale Wahl der relevanten Systemparameter. Durch Vergleich mit experimentellen Daten aus bakteriellen Systemen soll untersucht werden, inwieweit sich die natürliche Parameterwahl allein durch die Physik der wechselwirkenden molekularen Bausteine erklären lässt. In diesem Zusammenhang wird auch die molekulare Evolution dieser Systeme betrachtet. Weiterhin soll die in allen höheren Organismen auftretende Komplexierung der DNA mit Histon-Proteinen explizit in das physikalische Modell integriert werden. Mit Hilfe des Modells sollen dann biochemische und Einzelmolekülexperimente interpretiert werden.