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09.12.2015, 15:30 Uhr

Klasse für Naturwissenschaften und Medizin, 572. Sitzung

Prof.'in Dr. Renate Loll, Nijmegen: Die Suche nach der Quantenraumzeit: Warum 3+1 manchmal 2 ergibt; Prof. Dr. Joachim Spatz, Stuttgart: Kollektive Zellmigration – wie koordinieren Ensembles von Epithelzellen die Wundheilung

Vortrag 1
Prof.'in Dr. Renate Loll, Nijmegen: Die Suche nach der Quantenraumzeit: Warum 3+1 manchmal 2 ergibt

Raum und Zeit sind allgegenwärtige Größen, aber geben uns in vielerlei Hinsicht noch stets Rätsel auf: Haben sie eine Struktur, die sich aus grundle- genderen Prinzipien erklären lässt? Haben sie einen Anfang und ein Ende? Aus Sicht der Physik hat sich unser Verständnis von Raum und Zeit seit dem Zeitalter Newtons drastisch verändert. Im Rahmen der Einsteinschen Relativitätstheorie bilden sie zusammen eine untrennbare Einheit, die vierdimensionale Raumzeit. Diese ist nicht strukturlos und statisch, sondern krümmt sich unter dem Einfluss von Energie und Materie und überträgt so Gravitationswechselwirkungen. Neue Einsichten zur Struktur der Raumzeit jenseits des Gültigkeitsbereichs der klassischen Gravitationstheorie erhoffen wir uns von einer Theorie der Quantengravitation, nach der seit vielen Jahren mit Hochdruck geforscht wird. Welche Quantengesetze bestimmen die Dynamik von Raum und Zeit auf der ultrakurzen Planckskala? Lassen sich die wohlbekannten Eigenschaften der makroskopischen Raumzeit aus ihnen ableiten? Spielen Begriffe wie Raum, Zeit, Kausalität und Dimension auf der Planckskala überhaupt noch eine Rolle oder sind sie lediglich emergente Eigenschaften eines dynamischen Ensemb- les einer noch unbekannten Art mikroskopischer Elementarbausteine? Ich werde einige Forschungsergebnisse eines neuen, vielversprechenden Ansatzes zur Quantengravitation vorstellen, dem der sogenannten „Kausalen Dynamischen Triangulierungen“. In dieser Formulierung lassen sich mit Hilfe von Computersimulationen konkrete, quantitative Ergebnisse ableiten. Durch Anwendung des üblichen quantenmechanischen Überlagerungsprinzips auf die gekrümmten Raumzeiten wird eine Quantenraumzeit erzeugt, deren physikalische Eigenschaften man in numerischen „Experimenten“ messen kann. Auf großen Skalen sind diese kompatibel mit der allgemeinen Relativi- tätstheorie, aber auf der Planckskala findet man ein völlig unerwartetes, nichtklassisches Verhalten, was sich anhand des Begriffs der Dimension schön illustrieren lässt.

Vita
Professorin Dr. Renate Loll studierte Physik an der Universität Freiburg im Breisgau und promovierte 1989 am Imperial College, London, bei Christopher J. Isham mit einer Arbeit zur Quantisierung von Systemen mit Zwangsbedin- gungen. Nach ihrer Doktorarbeit wandte sie sich dem Gebiet der Quantengravitation zu, und damit der Suche nach einer der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegenden, fundamentalen Quantentheorie. Ihre Lehr- und Wanderjahre verbrachte sie als Postdoc in Deutschland (U. Bonn), den USA (Syracuse U., Penn State U.) und Italien (U. di Firenze), bevor sie 1996 wissenschaftliche Mitarbeiterin des neu gegründeten Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam wurde. Loll habilitierte sich 1998 in theoretischer Physik an der U. Potsdam und war ab 1999 Heisenberg-Stipendiatin am MPI. Dort legte sie auch den Grundstein für ihr heutiges, erfolgreiches Forschungsprogramm der Kausalen Dynamischen Triangulierungen zur nichtperturbativen Quantisierung der Gravitationstheorie. Sie wechselte 2001 an die U. Utrecht, wo sie ab 2005 eine Professur in theoretischer Physik innehatte. Von 2005–2009 war sie auch wissenschaftliche Koordinatorin des europäischen Forschungsnetzwerks ENRAGE zu Anwendungen von Zufallsgeometrie. Seit 2012 ist sie Professorin für Physik jenseits des Standardmodells an der Radboud-Universität in Nijmegen. Seit 2009 ist sie außerdem Distinguished Visiting Research Chair am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada. Loll ist u.a. Mitglied der Academia Europaea, Mitherausgeberin mehrerer internationaler Fachzeitschriften, VICI-Preisträgerin der niederländischen Wissenschaftsorganisation NWO, Vorsitzende des wissenschaftlichen Beirats des Perimeter-Instituts und Mitglied des Direktoriums der niederländischen Stiftung für Grundlagenforschung FOM. Sie ist eine gefragte Sprecherin bei Fachtagungen und populär- wissenschaftlichen Veranstaltungen.

Vortrag 2
Prof. Dr. Joachim Spatz, Stuttgart: Kollektive Zellmigration – wie koordinieren Ensembles von Epithelzellen die Wundheilung

Damit Wunden sich wieder verschließen können, müssen Zellen sich koordiniert, gemeinsam in eine Richtung, bewegen. Die kollektive Bewegung von Zellen und anderer biologischer Systeme ist eines der wichtigsten natürlichen Phänomene und kommt auf verschiedenen Ebenen und Längenskalen der Natur vor. Bislang war der zentrale molekulare Mechanismus, mit dem Zellen diese Bewegungen über größere Entfernungen koordinieren können, unklar. Diese kollektive Zellmigration spielt nicht nur bei der Wundheilung eine wichtige Rolle, sondern auch bei der Entwicklung von Krebs und der Embryonalentwicklung. Wir haben nun den molekularen Hauptakteur und den entsprechenden Mechanismus identifiziert, der die kollektive Migration von Epithelzellen, also Zellen des Deckgewebes, steuert. In unseren Untersuchungen stellen wir einen vollständigen molekularen Mechanismus vor, der sich auf das Protein Merlin konzentriert. Die Ergebnisse stellen eine Verbindung von mechanischen Kräften innerhalb der Zelle zu kollektiven Zellbewegungen her und zeigen auch, wie lokale Interaktion eine kollektive Dynamik auf der multizellulären Ebene bewirkt. Innerhalb eines Zellkollektivs sind die Vorgänge des Wahrnehmens benachbarter Zellen und der koordinierten Aktion zwischen Zellen durch Signalübertragungswege miteinander verbunden. In einem Zellkollektiv gibt es eine Führungszelle. Diese Führungszelle ist mit den der Führungszelle folgenden Zellen mechanisch durch Zell-Zellkontakte verbunden. Durch das Voranschreiten der Führungszelle wird mechanische Spannung auf die Verfolgerzellen ausgeübt. Diese mechanische Spannung nimmt das Protein Merlin wahr und initiiert die polarisierte Verfolgungsbewegung. Und so wird die mechanische Spannung von einer Zelle zur nächsten im Verfolgerfeld weitergegeben. Verfolgerzellen reagieren darauf durch die Ausbildung von Lamellipodien in Richtung der Führungszelle, um sich nach vorne zu bewegen. Damit ist das Protein Merlin ein mechanosensitives Protein, welches zelluläre Kräfte in kollektive Zellbewegungen umwandelt. Ein weiterer Aspekt des Vortrags wird die Klärung der Frage sein, wie eine Zelle zur Führungszelle in der Hierarchie eines Zellkollektivs aufsteigt. Als Modellsysteme verwendeten wir Einzelschichten von Epithelzellen, dreidimensionale menschliche Haut und der menschlichen Haut entsprechende Systeme. In statischen Epithelzellen lokalisiert Merlin im Zellkortex und hemmt Rac1, einen wichtigen Verursacher von Zellmigration. Während der Migration wird Merlin durch die Zugkräfte zwischen den Zellen ins Zytoplasma gespült. Dadurch wird die Aktivierung von räumlich polarisiertem Rac1 und damit die Bildung von Lammellipodien ausgelöst, was die Zelle dazu bringt, einer voranschreitenden Nachbarzelle zu folgen. Wird Merlin aus Zellen isoliert, verlieren diese die Fähigkeit, sich kollektiv zu bewegen und verursacht die damit verbundenen medizinisch relevanten, pathophysiologischen Merkmale von Organismen.

Vita
Professor Dr. Joachim Spatz studierte an der Universität Ulm Physik und promovierte an dieser 1996 unter der Leitung von Prof. Martin Möller. In den Jahren 1997/98 verbrachte er einen Post Doc Aufenthalt am Institut Curie (Paris) und habilitierte sich im Jahr 2000 an der Universität Ulm in dem Fach Physik. Im selben Jahr nahm er einen Ruf (C3) auf die Professur für Biophysikalische Chemie an der Universität Heidelberg an. Im Jahr 2004 nahm er einen Ruf an das Max Planck Institut für Metallforschung – heute das MPI für Intelligente Systeme – als Direktor und einen Ruf (C4) auf die Professur für Biophysikalische Chemie der Universität Heidelberg an.