Bildbasierten Systembiologie

Dynamik, Funktion & Morphologie von Infektionsprozessen

Die Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung und Computersimulation von Infektionsprozessen, die durch human-pathogene Pilze ausgelöst werden. Die räumliche und zeitliche Datengrundlage für diese Modelle wird mit Hilfe einer automatisierten Analyse mikroskopischer Bilder von Infektionsprozessen gewonnen. Unser Ziel ist es, die Dynamik, Funktion und Morphologie der Interaktionen zwischen Erreger und Wirt durch den Ansatz der Bildbasierten Systembiologie zu verstehen.

Bildanalyse, Datenquantifizierung & mathematische Modellierung

Die Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie stellt auf GitHub Open-Source-Software-Tools Verfügung: https://github.com/applied-systems-biology

Die bildbasierte Systembiologie versucht, die in Bildern enthaltenen Informationen voll auszunutzen und umfasst die folgenden drei Schritte:

• Automatisierte Analyse der Bilddaten für High-Content und Hochdurchsatz-Screening,
• Quantitative Beschreibung der biologischen Prozesse durch geeignete charakteristische Maße,
• Konstruktion von aus Bildern abgeleiteten raum-zeitlichen Modellen und prädiktive Computersimulationen.

In den letzten Jahren haben wir eine Vielzahl von Software-Tools implementiert, die die verschiedenen Schritte unterstützen, z.B:

• MISA++ - Modulare Bildstapelanalyse für C++, die die hohe Effizienz von C++ mit der Benutzerfreundlichkeit von ImageJ kombiniert,
• JIPipe - eine Java Image Processing Pipeline (JIPipe), die eine grafische Stapelverarbeitungssprache für das ImageJ-Ökosystem ist,
• DevonvTest - eine Python-basierte Simulationsumgebung, die es dem Benutzer ermöglicht, die Leistung verschiedener Dekonvolutionsmethoden zu quantifizieren und zu vergleichen,
• Tröpfchen-Segmentierung - ein Python-Code für die aufMikrofluidik-Tröpfchen zugeschnittene Segmentierung mittels OpenCV,
• Dynamic SPHARM - ein Python-Code für die Analyse der sphärischen Harmonischen von dreidimensionalen Objekten, die sich wie wandernde Zellen dynamisch mit der Zeit verändern.

Kollaborationen, Förderung & Lehre

Die Bildbasierte Systembiologie stellt ein generisches Bindeglied zwischen Experiment und Theorie in interdisziplinären Studien dar und bietet eine enorme Bandbreite an Kooperationsmöglichkeiten, da mikroskopische und spektroskopische Daten heute routinemäßig in Experimenten erhoben werden. Aus diesem Grund ist die Arbeitsgruppe Angewandte Systembiologie aktiver Kooperationspartner im BMBF-geförderten Center for Sepsis Control and Care am Universitätsklinikum Jena sowie in zwei DFG-geförderten Sonderforschungsbereichen in Jena: FungiNet 124 - “Pathogenic fungi and their human host – networks of interaction” (Teilprojekt B4) und PolyTarget 1278 – “Polymer-based nanoparticle libraries for targeted anti-inflammatory strategies” (Teilprojekt Z01). Im neu gegründeten Exzellenzcluster - "Balance of the Microverse" an der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist Prof. Figge Koordinator des Forschungsbereichs "Data Synopsis" sowie Mitglied im interdisziplinären Management Board des "Microverse Imaging Center". Darüber hinaus ist Prof. Figge Sprecher des von der Leibniz-Gemeinschaft geförderten ScienceCampus InfectoOptics, einer Gemeinschaftsinitiative, in der Forscherinnen und Forscher aus den Lebenswissenschaften und der Optik/Photonik eng zusammenarbeiten mit dem Ziel, Infektionskrankheiten mit Hilfe neuartiger optischer Technologien zu erforschen und zu bekämpfen. Im Forschungscampus InfectoGnostics, werden die Methoden für die Anwendung in der Diagnostik von Infektionen weiterentwickelt; wie zum Beispiel im Projekt ADA, in dem eine Testplattform für das Screening auf Staphylococcus aureus / MRSA in der Human- und Veterinärmedizin entwickelt wird.

Die Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie beteiligt sich jedes Jahr an der Organisation eines internationalen Symposiums mit zwei wechselnden Themen: Image-based Systems Biology (IbSB) in den geraden Jahren und Systems Biology of Microbial Infection (SBMI) in den ungeraden Jahren. Jede dieser Veranstaltungen zieht ein internationales Publikum von mehr als 70 Teilnehmern an das HKI.

Nicht zuletzt wird das Forschungskonzept durch die Vorlesungen zur Bildbasierten Systembiologie und zur Systembiologie der Immunologie weiter unterstützt, um Bachelor- und Masterstudenten in diesem modernen Forschungsansatz auszubilden und die Grundlagen analytischer und quantitativer Methoden zur Modellierung dynamischer Systeme zu vermitteln.

Zusammengenommen stellt die Forschungsgruppe Angewandte Systembiologie ein Bindeglied zwischen den beiden Profillinien LIGHT und LIFE der Friedrich-Schiller-Universität Jena dar. Dies spiegelt sich auch in der Mitgliedschaft von Prof. Figge in den Fakultäten der Jena School for Microbial Communication, der International Leibniz Research School for Microbial and Biomolecular Interactions sowie dem Jena Center for Soft Matter und dem Michael Stifel Center Jena wider.