Obwohl die molekulare Zusammensetzung vieler Zellsegmente bereits erfasst und ihre Strukturen beschrieben wurden, ist weitgehend unklar, wie diese Segmente aus einzelnen Molekülen zusammengesetzt werden und wie sie reguliert und umgestaltet werden, um spezifische zelluläre Funktionen zu erfüllen. Ebenso ist wenig darüber bekannt, wie sich die subzelluläre Architektur unter Stressbedingungen anpasst oder wie die einzelnen Zellkompartimente miteinander kommunizieren, um essentielle physiologische Prozesse aufrechtzuerhalten.

SCALE vereint Forschende aus der Biochemie, Zellbiologie, Chemie, computergestützter und theoretischer Biologie, Informatik, Physik und Strukturbiologie, um diese Wissenslücke zu schließen. Der Exzellenzcluster entwickelt innovative experimentelle Ansätze darunter visuelle Proteomik, Super-Resolution-Mikroskopie, cryo-ET, cryo-EM, zeitaufgelöste NMR-Spektroskopie, Optogenetik und intelligente molekulare Sonden, um die Aktivität, Dynamik und präzise Lokalisation unterschiedlicher Moleküle innerhalb von Zellen gleichzeitig erfassen zu können. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung digitaler Zwillinge. Ursprünglich aus der Klima- und Stadtforschung bekannt, wendet SCALE das Konzept der digitalen Zwillinge erstmals auf die Naturwissenschaften an. SCALE erstellt digitale Zwillinge subzellulärer Segmente – virtuelle Modelle, die die molekulare Architektur, Dynamik und Wechselwirkungen in bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung abbilden. Diese digitalen Zwillinge werden für verschiedene Zellkompartimente entwickelt, darunter die bakterielle Hülle, die mitochondriale Hülle, neuronale Schnittstellen, die Zellkernhülle und das endoplasmatische Retikulum.

Um das Verhalten von Zellsegmenten unter Bedingungen von Gesundheit, Stress und Krankheit auf molekularer und zellulärer Ebene vorherzusagen, integrieren die Modelle experimentelle Daten, Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz. Ihre Erstellung erfolgt in einem iterativen Prozess, in dem experimentelle und rechnergestützte Ansätze eng miteinander verknüpft sind:
1. Aufbau eines datengetriebenen, integrativen molekularen Modells
2. Simulation der Strukturen
3. Experimentelle Überprüfung und Verfeinerung der Modelle

Durch diesen wiederkehrenden Zyklus werden die digitalen Zwillinge immer präziser und liefern neue Konzepte, um komplexe biologische Prozesse ganzheitlich zu verstehen.

SCALE steht zugleich für eine neue Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Die Kombination modernster Bildgebung, biochemischer Analysen und computergestützter Modellierung markiert einen grundlegenden Wandel – von der beobachtenden hin zur vorhersagenden Biologie. So eröffnen sich neue Wege, um molekulare Mechanismen hinter bakterieller Resistenz, neurodegenerativen Erkrankungen und zellulärer Alterung zu entschlüsseln und therapeutisch nutzbar zu machen.
Darüber hinaus werden die entwickelten Modelle auch in Lehre und Wissenschaftskommunikation eingesetzt, um komplexe Zellprozesse anschaulich zu vermitteln und die nächste Generation von Forschenden auszubilden. Digitale Zwillinge werden damit nicht nur zu einem neuen Standardwerkzeug der Forschung, sondern auch zu einem innovativen Medium, um Wissenschaft offen, interaktiv und transparent zu kommunizieren. Mit dieser integrativen Vision verändert SCALE die Art und Weise, wie Lebenswissenschaften betrieben werden – zum Nutzen der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Gesellschaft.

Beteiligte Institutionen:

• Max-Planck-Institut für Biophysik
• Max-Planck-Institut für Hirnforschung
• Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS)
• Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• Universität des Saarlandes
• Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) Heidelberg