Gewebedynamik und Regeneration
Viele Tiere besitzen die faszinierende Fähigkeit, verlorene Körperteile nachwachsen zu lassen. So kann der Seestern seine Arme regenerieren oder der Salamander seine Glieder. Bei manchen Plattwürmern können sich sogar aus winzigen Gewebestücken neue Organismen entwickeln. Im Gegensatz dazu können wir Menschen und viele andere Tiere verlorene Arme oder Beine nicht ersetzen. Unsere Leber hingegen wächst nach einer Operation wieder auf ihre ursprünglichen Masse an und auch die Zellen unseres Darms werden innerhalb weniger Tage vollständig ersetzt – auch wenn das Organ nach außen unverändert zu sein scheint.
Alle oben genannten Phänomene resultieren letztlich aus dynamischen Wechselwirkungen zwischen Zellen, aus denen alle Organismen aufgebaut sind. Aber im Gegensatz zu den Ziegelsteinen, aus denen ein Haus besteht, sind Zellen selbst lebendige Einheiten, die neu gebildet werden und sterben, die sich bewegen oder Form und Funktion verändern. Und Zellen kommunizieren kontinuierlich miteinander, wodurch sie sowohl die Funktionen anderer Zellen beeinflussen als auch auf Signale anderer Zellen reagieren.
Wie sich dynamische Zellverbände reproduzierbar zu Organen und Organismen selbst-organisieren können, wirft viele grundlegende und ungelöste Fragen auf. Wie können die verbleibenden Zellen und Gewebe während der Regeneration „wissen“, was und wie viel an Gewebe fehlt? Was definiert Form, Größe und Proportionen? Oder: Was begrenzt die Lebensdauer einzelner Zellen und was die Lebensdauer des gesamten Organismus?
Plattwürmer sind Meister der Regeneration
Wir verwenden Plattwürmer (Planarien) als Modellsystem, um diese Probleme zu untersuchen. Wie der Name schon sagt, sind Planarien Würmer mit abgeflachter Körperarchitektur. Sie kommen weltweit in Teichen, Bächen, an Land oder sogar im Meer vor. Ein erster faszinierender Aspekt ihrer Biologie ist, dass sie eine Fülle von pluripotenten adulten Stammzellen besitzen. Diese teilen sich kontinuierlich, aber gleichzeitig sterben auch ausdifferenzierte Zellen, sodass sich das gesamte Tier kontinuierlich neu aufbaut. Werden Planarien gefüttert, teilen sich mehr Stammzellen und die Tiere wachsen. Der Hunger verschiebt das Gleichgewicht in die andere Richtung: Die Zahl der Zellen sinkt, wodurch die Würmer buchstäblich schrumpfen.
Planarien haben daher keine feste Körpergröße und ihre äußeren und inneren Körperproportionen schwanken mehr als 40-fach im Bereich der Körperlänge, mehr als 800-fach hinsichtlich der Zellzahl oder fast 10 000-fach in Bezug auf das Gewicht. Einige Arten scheinen so auf unbestimmte Zeit zu leben, während andere Arten altern und sterben. Und als ob das nicht schon genug wäre, können einige Planarien buchstäblich in winzige Stücke von bis zu 5000 Zellen zerhackt werden und schaffen es dennoch, komplette und perfekt proportionierte Würmer aus jedem einzelnen Gewebestück zu regenerieren.
Einblicke, wie Regeneration molekular gesteuert wird
Die einzigartige Biologie der Planarien verspricht wichtige Einblicke in grundlegende Probleme der Gewebedynamik und -regeneration, die wir in hohem Maße interdisziplinär verfolgen. Wir untersuchen das molekulare Koordinatensystem des Plattwurm-Körperplans mit zellbiologischen und biochemischen Ansätzen. Wir sequenzieren Genome und wenden funktionelle Genomik an, um zu verstehen, wie Signal-Übertragungswege Stammzellen programmieren oder selbst-organisierende räumliche Muster hervorbringen. In enger Zusammenarbeit mit Physiker*innen und Theoretiker*innen untersuchen wir die quantitativen Grundlagen von Musterbildung, Skalierung und Größenspezifizierung. Und wir unternehmen weltweite Feldprobenexpeditionen, um „wilde“ Planarienarten zu sammeln.
Infolgedessen unterhalten wir in der Abteilung einen regelrechten Zoo von Planarienarten, der ein breites Spektrum an Regenerationsfähigkeiten, Körpergrößen und -formen, Zellumschlagsraten und Lebenserwartungen repräsentiert. Durch die Verbindung zwischen quantitativer Biologie und Artvergleichen wollen wir die molekularen Mechanismen der Regeneration verstehen und untersuchen, wie sich diese in der Evolution verändern. So erhoffen wir uns schließlich Einblicke in so faszinierende Probleme, wie Form und Größe eines Organismus auf molekularer Ebene gesteuert werden oder warum sich einige Tiere regenerieren, während andere dies nicht können. Oder warum einige Arten für immer zu leben scheinen, während andere altern und sterben.
Weitere Informationen über die Forschung der Abteilung für Gewebedynamik und Regeneration auf der englischen Webseite.