Coarse-Graining von aktivem Chromatin

Die 46 menschlichen DNA Moleküle (Chromosomen) besitzen eine Gesamtlänge von zwei Metern, sind dabei jedoch in die flüssige Umgebung eines Zellkerns von nur ca. zehn Mikrometer Durchmesser eingebettet. Wenn wir den Maßstab um den Faktor 105 vergrößern, entspricht das einer 200 Kilometer langen Angelschnur, welche in den Kofferraum eines Autos gestopft ist. Für eine korrekte biologische Funktion muss diese lange Chromatinkette (DNA mit anhängenden Proteinen) auf eine bestimmte Art geordnet sein. Die Polymerphysik kann Aufschlüsse darüber liefern, wie diese räumliche Ordnung entsteht und beibehalten wird.
Obwohl bekannt ist, dass Chromosomen nicht zirkular sind, sind ihre interne Struktur und ihr räumliches Verhalten sehr ähnlich zu dem langer, nicht verketteter Ringpolymere bei hoher Dichte, wie Computersimulationen gezeigt haben. Das Ringmodell von Chromatin ist aufgrund eines allgemeinen Organisationsprinzips erfolgreich, welches die Konsequenz daraus ist, dass sich die lange Kette nicht selbst durchkreuzen bzw. überlagern kann. Während die Ringpolymere stets als nicht überlagerbar modelliert werden, haben die Chromosomen in dem kleinen Zellkern über die Lebenszeit der Zelle einfach nicht ausreichend Zeit, sich vollständig zu vermischen. Daher nehmen die unterschiedlichen Chromosomen jeweils ihren eigenen Bereich ein.
Dieses Projekt zielt darauf ab, mit Hilfe von vereinfachten (coarse-grained) Modellen wie der Ringpolymerbeschreibung mehr über die physikalischen Mechanismen hinter der Chromatinorganisation herauszufinden. Mit Hilfe von Computersimulationen und analytischer Theorie werden wir insbesondere zwei Aspekte adressieren.
Zum einen betrachten wir Ringpolymere unterschiedlicher Größe, welche die unterschiedlichen Chromosomen darstellen. Wir untersuchen, ob allein die Größenvariation die bevorzugte relative und absolute Ordnung innerhalb des Zellkerns hervorrufen kann, welche in lebenden Zellen beobachtet wird. Theoretische Studien von kleinen Polymerringen haben gezeigt, dass kleine Ringe sich typischerweise in größere hineinschieben, was zu einer Korrelation zwischen Ringgröße und Positionierung führt.
Zum anderen untersuchen wir grundlegende Selbstorganisationseigenschaften von aktiven Teilchen in Fluiden. Die aktiven Teilchen nehmen Energie aus der Umgebung auf und speisen daraus ihre Bewegung, ein Prozess sehr ähnlich dem der Motorproteine, welche an Chromatinsegmenten in lebenden Zellen ziehen. Es wurde bereits gezeigt, dass eine Mischung aus aktiven und normalen (passiven) Teilchen ohne Fluidumgebung zu einer spontanen Selbstorganisation in primär aktive und passive Gebiete führt. Chromatin zeigt eine ebensolche Aufteilung in aktive und passive Bereiche, ist dabei jedoch von einem Fluid umgeben, welches den Segregationseffekt beeinflusst. Um dies modellieren zu können, werden wir eine neuartige Simulationstechnik basierend auf Machine Learning Methoden entwickeln, welche effiziente hydrodynamische Simulationen erlaubt, die ansonsten sehr rechenaufwändig wären.
Außerdem werden wir die beiden zuvor diskutierten Aspekte kombinieren und untersuchen, wie die Aktivität von Polymerringsegmenten ihre globale und lokale Struktur beeinflusst.
Dieses Projekt ermöglicht ein tieferes Verständnis der großräumigen Struktur von Chromatin, welches die Funktion von Zellen und damit unser aller Leben betrifft. Darüber hinaus können die Ergebnisse für die zukünftige Entwicklung von neuartigen Hochelastizitätsmaterialien basierend auf Ringpolymerlösungen genutzt werden. Weiterhin hat das Projekt das Potential neue, grundlegende physikalische Gesetze in Bezug auf lebende Materie zu finden.