Der Ansatz von PoL besteht darin, die Biologie in ihrer Komplexität zu betrachten und gleichzeitig lebende Systeme als physikalischen Prozess zu verstehen. Die Forschung bei PoL konzentriert sich auf grundlegende biologische Fragen der Zell- und Entwicklungsbiologie, bei denen physikalische Erkenntnisse zu konzeptionellen Durchbrüchen führen können. In einem einzigartigen Umfeld, in dem internationale und interdisziplinäre Forscher Experimente, Theorie und Berechnung nahtlos miteinander verbinden, arbeiten die Wissenschaftler von PoL auf ein gemeinsames Ziel hin: zu verstehen, was Materie zum Leben erweckt.

Während der ersten Förderphase erweiterte PoL die Beziehung zwischen Physik und Biologie, indem es physikalische Prinzipien identifizierte, die lebenden Systemen zugrunde liegen. Beispiele hierfür sind die Entdeckungen, dass mechanischer Druck in wachsendem Gewebe die Bildung spezieller Zellverbände, sogenannter Organisatoren (Signalzentren), steuert; dass Kapillarkräfte und die Benetzung mit Flüssigkeiten die Chromatingstruktur beeinflussen; und dass einige Proteine DNA-Kondensate bilden, um DNA-Schäden zu reparieren. Viele dieser Entdeckungen wurden durch Techniken ermöglicht, die von PoL-Forschern entwickelt wurden, womit Pionierarbeit bei innovativen Messmethoden zur Charakterisierung des physikalischen Zustands lebender Materie geleistet wurde. Wichtige Beispiele sind die Entwicklung von Mikrotröpfchen-Techniken zur Messung der Mechanik in intakten lebenden Geweben und die Entwicklung von kalorimetrischen und Fluoreszenztechniken zur Charakterisierung von Stoffwechselraten und Energieflüssen.

Ein Schwerpunkt der nächsten Förderphase wird darin bestehen, physikalische Prinzipien mit zwei charakteristischen Merkmalen lebender Systeme zu verbinden: Funktion und Robustheit. Zu diesem Zweck werden die Wissenschaftler von PoL die Entstehung funktionaler Einheiten durch Materien-, Energie- und Informationsflüsse untersuchen. Darüber hinaus werden die PoL-Forscher neue Messtechniken entwickeln, um bestehende Hindernisse für die physikalische Charakterisierung intakter lebender Systeme zu beseitigen, und topologische Datenanalyse- sowie maschinelle Lernverfahren einsetzen, um wesentliche Informationen aus komplexen und hochdimensionalen Datensätzen zu extrahieren. Dies wird neue Paradigmen für das Verständnis der physikalischen Grundlagen des Lebens erschließen.

Beteiligte Institutionen:

• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
• Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF)
• Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG)
• Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme
• Universität Leipzig