Forschungsgruppen

Wie sich unser Erbgut vor DNA-Parasiten schützt

Julius Brennecke beschäftigt sich mit den erstaunlichen Abwehrstrategien, die Zellen einsetzen, um ihr Erbgut, die DNA, vor Genomparasiten (sogenannten „Transposons“ oder „springenden Genen“) zu schützen. Das Erbgut des Menschen besteht fast zur Hälfte aus diesen, auf den ersten Blick schädlichen, Genen.  Die Erkenntnisse der Forscher geben Aufschluss über die Evolution wichtiger Signalwege in unseren Zellen und können auch wesentlich dazu beitragen, komplexe Erkrankungen wie Krebs besser zu verstehen.

Julius Brennecke studierte Biologie an der Universität Heidelberg und promovierte am renommierten Europäischen Molekularbiologie Labor (EMBL). Anschließend forschte er an den Cold Spring Harbor Laboratories in den USA. 2009 wechselte Julius Brennecke ans IMBA, wo er 2014 zum Senior Scientist ernannt wurde.
 

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Von der Evolution lernen

Alejandro Burga erforscht evolutionäre Mechanismen, die das Erbgut beeinflussen und bei der Artenbildung und Krankheitsentstehung eine Rolle spielen. Dabei versucht er, die Evolution auf einer molekularen Ebene zu verstehen: Im Fokus des Forschers stehen bestimmte egoistische Gen-Paare, sogenannte Toxin-Antidote Elemente. Fehlt das Antidote, also das Gegengift, wird das Toxin aktiv – in diesem Fall ein Protein, das ohne die Aktivität des Gegengifts zu bestimmten Fehlfunktionen im Körper führen kann. 

Alejandro Burga studierte Biochemie an der Päpstlichen Katholischen Universität in Santiago, Chile. Anschließend zog er für seine Doktorarbeit nach Europa, wo er am Center for Genomic Regulation in Barcelona forschte. Sein Postdoktorandenprogramm absolvierte Alejandro Burga an der University of California, Los Angeles, wo er sich unter anderem mit den molekularbiologischen Ursachen der Artenbildung befasste und nachweisen konnte, wie es zur Flugunfähigkeit des bekannten Galapagos Kormorans kam.
 

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Die Mechanik des Erbguts

Daniel Gerlich forscht mit seinem Team an der Zellteilung und den mechanischen Eigenschaften des Erbguts. Wie wird die Erbmasse während der Zellteilung zu Chromosomen verdichtet? Wie verteilen sich diese dann richtig auf die zwei Tochterzellen? Welche Proteine regulieren diesen Prozess? Um die dynamischen Vorgänge während der Zellteilung zu analysieren, haben die Forscher Mikroskope automatisiert und wenden innovative Methoden wie „Deep Machine Learning“ an, bei denen der Computer Regeln für die Unterscheidung von Zellmorphologien erlernt.

Nach seinem Studium der Biologie an der Universität Freiburg forschte Daniel Gerlich am Deutschen Krebsforschungsinstitut (DKFZ) und am Europäischen Molekularbiologie Labor (EMBL) in Heidelberg. Danach war er Gruppenleiter an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETHZ). 2012 wechselte Daniel Gerlich als Senior Scientist ans IMBA.

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Das virtuelle Genom

Anton Goloborodko und sein Team haben die dreidimensionale Struktur unseres Erbguts (DNA) im Visier. Die WissenschaftlerInnen modellieren am Computer, wie Zellen ihr Genom während der Zellteilung präzise verpacken und auf die beiden Tochterzellen aufteilen. Im ersten "Trockenlabor" am IMBA werden keine klassichen Experimente gemacht. Vielmehr stützt sich Anton Goloborodko auf Methoden der Physik und Informatik, um grundlegende Fragen der Genombiologie zu beantworten, die sich aus der Struktur der dicht gepackten, einzigartig organisierten Chromosomen ergeben. 

Anton Goloborodko studierte am renommierten Moskauer Institut für Physik und Technologie die Fächer angewandte Mathematik und chemische Physik. Während seines Forschungsaufenthaltes am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA kombinierte Anton Goloborodko Physik, Biologie mit Computing und erstellte faszinierende 3D-Modelle des Genoms. Seit 2019 ist er Gruppenleiter am IMBA.

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Selbstheilung des Gehirns nach Krankheit oder Verletzung

Sofia Grade erforscht mit ihrem Team, wie verschiedene Gehirnzellen auf Verletzungen oder Krankheiten reagieren und wie sich daraus neue therapeutische Ansätze erschließen können. Dabei untersuchte sie verschiedene Krankheitsmodelle, wie Epilepsie, Schlaganfall, Multiple Sklerose oder Hirntrauma. Damit bewegt sie sich in einem Gebiet der modernen biomedizinischen Grundlagenforschung mit großem klinischem Potenzial. 

Sofia Grade studierte zunächst Biologie in der zentral-portugiesischen Stadt Coimbra, an einer der ältesten Universitäten Europas. Nach Forschungsaufenthalten an der Laval University in Quebec, Kanada, und der University of Southern California, Los Angeles, USA, forschte sie im Anschluss an der Ludwig-Maximilians-Universität München und am Helmholtz-Zentrum München, bevor sie 2020 am IMBA ihre eigene Forschungsgruppe startete.

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Dunkles Genom in der frühen Säugetierentwicklung

Obwohl die 3D-Organisation des Genoms für die Genregulation von entscheidender Bedeutung ist, sind die Mechanismen, durch die die räumliche Organisation von DNA, RNA und Proteinen die Kernfunktionen nach der Befruchtung beeinflusst, noch weitgehend unerforscht. In der Jachowicz-Forschungsgruppe versuchen wir, das Zusammenspiel zwischen der 3D-Genomorganisation und dem Transkriptom während der frühen Säugetierentwicklung zu verstehen. Wir konzentrieren uns auf die Untersuchung der regulatorischen Rolle "dunkler" Genomelemente bei der Gestaltung der Kernfunktionen während der frühen Entwicklung und verwenden embryonale Stammzellen und frühe Mausembryonen als Modellsysteme. Zur Beantwortung unserer Fragen setzen wir neuartige, genomweite Technologien ein, die es uns ermöglichen, die 3D-Kernorganisation und das Transkriptom gleichzeitig zu messen. Wir kombinieren diese Methoden mit systematischen funktionellen Ansätzen.

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Gehirnerkrankungen modellieren und erforschen

Jürgen Knoblich gehört zu den Pionieren der Stammzellforschung. 2013 gelang es ihm und seinem Team, die weltweit ersten Gehirn-Organoide aus menschlichen Stammzellen zu entwickeln. Damit sorgten die ForscherInnen für internationales Aufsehen und läuteten eine neue Ära der Gehirnforschung ein. Am IMBA arbeitet man seitdem intensiv an einer Reihe von Krankheiten, wie Epilepsie, Schizophrenie, Autismus, Suchtverhalten, Gehirntumoren, u.a. Aber auch die gesunde Gehirnentwicklung wird an den Organoiden genau untersucht, um die viele offenen Fragen rund um dieses komplexeste unserer Organe zu klären.

Jürgen Knoblich studierte Biochemie an der Universität Tübingen, Molekularbiologie am University College London und wechselte 1989 an das Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie Tübingen, wo er im Labor von Nobelpreisträgerin Christiane Nüsslein-Volhard forschte. Von 1994 bis 1997 war er Post-Doktorand an der University of California, San Francisco. Nach Europa zurückgekehrt, arbeitete er am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) in Wien, bevor er 2005 ans IMBA wechselte. 2018 übernahm Jürgen Knoblich hier die wissenschaftliche Direktion. Er erhielt zahlreiche Preise, darunter den Wittgenstein Preis der Österreichischen Bundesregierung sowie eine Vielzahl hochdotierter Förderungen, darunter gleich zwei der renommierten Advanced Research Grants des European Research Council (ERC).

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Herzerkrankungen an Organoiden erforschen

Sasha Mendjan studiert mit seiner Forschungsgruppe die biologische Entwicklung des Herzens. Es ist das am aufwendigsten konstruierte Organ des menschlichen Körpers. Sein langfristiges Ziel ist, ein Herz-Modell aus Stammzellen im Labor zu züchten, um neue Einblicke in Herzentwicklung und Herzerkrankungen zu gewinnen. Immerhin sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen die häufigste Todesursache in der westlichen Welt und somit ein drängendes medizinisches Problem. Forschung an Herz-Organoide hilft, die Regeneration des Herzens zu verstehen, neue Therapiemöglichkeiten auszuloten und Medikamente spezifisch testen zu können.

Sasha Mendjan studierte Biologie an der Ludwig-Maximilians-Universität in München und promovierte anschließend am renommierten EMBL in Heidelberg. Nach anschließender Forschungstätigkeit an der University of Cambridge in England, wo er intensiv an humanen Stammzellen forschte, kam er 2014 als Forschungsgruppenleiter ans IMBA.

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Fruchtbarkeitsmodelle aus Stammzellen

Die Gruppe um Nicolas Rivron möchte die frühesten Stadien der Entwicklung eines neuen Organismus verstehen. Denn Fehler, die in diesen ersten Zyklen der Zellteilung passieren, haben oft drastische Konsequenzen, wie schwierige Schwangerschaften oder chronische Erkrankungen im Erwachsenenalter (Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, u.a.). Mithilfe von Blastoid-Modellen aus menschlichen Stammzellen, die die Gruppe selbst entwickelt hat, forschen die WissenschafterInnen auch an gesellschaftlich relevanten Themen wie Unfruchtbarkeit und Empfängnisverhütung. 

Nicolas Rivron absolvierte ein Ingenieur-Studium mit Fokus auf Polymer-Physik in Frankreich bevor er in die USA ging, um dort für das Biotech-Unternehmen Medtronic tätig zu sein. Er wechselte zurück nach Europa und absolvierte ein Doktorat an der Universität Twente in den Niederlanden. Schon bald konnte er seine eigene Forschungsgruppe an der Universität Utrecht aufbauen, als Satellitengruppe des renommierten Hubrecht Instituts. Seit 2019 ist Nicolas Rivron Gruppenleiter am IMBA.

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Einblicke in die räumliche Organisation von Zellen

Shambaditya Saha studiert mit seiner Forschungsgruppe, wie sich die Zelle räumlich organisiert: Dabei spielen neben den vielen „Organellen“, die wie die Organe unseres Körpers spezifische Aufgaben in der Zelle übernehmen, auch eine Vielzahl kleiner Abteile, die nicht durch Membranen begrenzt sind, eine wesentliche Rolle. Diese kleinen Zell-Abteile bilden sich durch Phasentrennung und verhalten sich wie kleine dickflüssige Tröpfchen, ähnlich den Öl-Tröpfchen in einer Salat-Marinade. Shambaditya Saha erforscht mit Methoden aus Biochemie, Biophysik und Strukturbiologie, die größtenteils noch unbekannten biologischen Funktionen dieser membranlosen Zellorganellen und wie sich diese auf die Entstehung von Krankheiten auswirken können.

Shambadity Saha studierte am Indian Institute of Technology in Kharagpur Biotechnologie. Danach ging er in die USA und promovierte an der renommierten Yale University in Molekularer Biophysik und Biochemie. Anschließend forschte er am Max Planck Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, und erschloss mit seiner Arbeit an den noch wenig erforschten Zell-Organellen ein völlig neues Forschungsfeld. Seit 2019 ist Shambadity Saha Forschungsgruppenleiter am IMBA.

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Molekulare Mechanismen der Regeneration bei Wirbeltieren

Das Tanaka-Labor untersucht die zellbasierten Prozesse, die der Regeneration von Gliedmaßen und Rückenmark bei Salamandern zugrunde liegen, um zu verstehen, wie erfolgreiche Regeneration bei Wirbeltieren funktioniert. Dieses Modell dient als Ausgangspunkt, um genau zu verstehen, wie Säugetiere, beispielsweise Mäuse, die Regenerationsfähigkeit im Laufe der Evolution verloren haben. Langfristig bilden diese Erkenntnisse die Grundlage dafür, innovative Methoden für die Regeneration oder den Ersatz von Geweben bei Säugetieren zu entwickeln. Um diesem Ziel näherzukommen, hat das Tanaka Labor bereits dreidimensionales Rückenmarksgewebe aus embryonalen Stammzellen von Mäusen und Netzhautgewebe aus menschlichen embryonalen Stammzellen gezüchtet.

Im Rahmen ihres Doktorats in Barcelona spezialisierte sich Noelia Urbán auf Neurowissenschaften. Danach arbeitete sie als Postdoktorandin am National Institute for Medical Research in London. 2014 wechselte sie ans dortige Francis Crick Institute. Seit 2017 forscht sie als Gruppenleiterin am IMBA. Mit ihrem Team ist sie Teil des Sonderforschungsbereiches des FWF „Stem Cell Modulation in Neural Development and Regeneration”, der sich im Detail mit den molekularen Mechanismen der Entstehung von neuronalen Stammzellen auseinandersetzt.

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Jungbrunnen im Gehirn

Noelia Urbán forscht mit ihrem Team am IMBA, wie sich unser Gehirn jung erhält. Denn in einigen Hirnarealen werden während des ganzen Lebens neue Nervenzellen produziert, die für fortwährenden „Nachschub“ sorgen. Für das Lernen und das Gedächtnis ist die Neubildung von Nervenzellen essentiell. Im Fokus ihrer Forschung stehen adulte Nervenstammzellen, die auch im erwachsenen Gehirn ständig neue Nervenzellen bilden können und die durch eine Reihe von Faktoren, wie etwa Bewegung, Ernährung, Stress oder Medikamente wie Psychopharmaka gesteuert werden. Ein großes Ziel der ForscherInnen wäre es, den Verfall adulter Stammzellen einschränken zu können. Insbesondere für Demenz oder Depressionen - die in unserer alternden Gesellschaft immer häufiger auftreten –wären diese Erkenntnisse wegweisend für neue Behandlungsmöglichkeiten. 

Im Rahmen ihres Doktorats in Barcelona spezialisierte sich Noelia Urbán auf Neurowissenschaften. Danach arbeitete sie als Postdoktorandin am National Institute for Medical Research in London. 2014 wechselte sie ans dortige Francis Crick Institute. Seit 2017 forscht sie als Gruppenleiterin am IMBA. Mit ihrem Team ist sie Teil des Sonderforschungsbereiches des FWF „Stem Cell Modulation in Neural Development and Regeneration”, der sich im Detail mit den molekularen Mechanismen der Entstehung von neuronalen Stammzellen auseinandersetzt.

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Krankheiten und die Funktion der Gene

Das Team von Josef Penninger widmet sich der gezielten Erforschung von Krankheiten, die durch Mutationen in Genen entstehen. Im Laufe der letzten Jahre gelangen den WissenschaftlerInnen einige bahnbrechende Entdeckungen: So konnten wesentliche Grundlagen für die Entstehung von Osteoporose, Brustkrebs und dessen Metastasierung aufgeklärt werden. 2018 erregte das Team wieder internationales Aufsehen, als es gelang, die weltweit ersten Blutgefäße aus menschlichen Stammzellen herzustellen. Mit diesem Modell können Diabetes und andere Gefäßerkrankungen noch gezielter erforscht und Medikamente getestet werden.

Josef Penninger studierte Medizin in Innsbruck, bevor er ans Amgen Research Institute, Toronto, Kanada ging. 2002 wurde er zum wissenschaftlichen Direktor des IMBA bestellt. Seit 2018 leitet Penninger das Life Science Institute der University of British Columbia, Vancouver, Kanada. Gleichzeitig führt er eine Forschungsgruppe am IMBA. Josef Penninger wurde mit vielen Preisen geehrt, drunter der Descartes-Preis der EU, der Wittgenstein-Preis der österreichischen Bundesregierung, der Ernst-Jung-Preis für medizinische Exzellenz, u.v.m.

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Die Aktivität der Gene verstehen

Stefan Ameres und sein Team verschaffen sich am IMBA dank modernster Technologien einen bis dato nicht möglichen Einblick in die Aktivitäten der Gene. Bisher konnten nur Momentaufnahmen der Genaktivität gemacht werden. Mit der revolutionären Methode „SLAMseq“, die im Labor von Stefan Ameres entwickelt wurde, können die Forschern nun messen, welche Gene wann und wie lange in einer Zelle aktiv sind.

Stefan Ameres studierte Mikrobiologie in Erlangen, bevor er sich im Rahmen seiner Doktorarbeit in Wien der RNA-Biologie verschrieb. Anschließend forschte er in den USA an der University of Massachusetts Medical School. Seit 2012 ist Stefan Ameres Gruppenleiter am IMBA, wo er mit seinem Team die Funktionen von RNAs erforscht. Neben zahlreichen Auszeichnungen und renommierten Forschungsförderungen ist Stefan Ameres auch Träger des Houskapreises 2018 der B&C Privatstiftung.
 

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Innere und äussere Faktoren die Verhalten formen und bestimmen

Das Pollak Labor erforscht die neuronalen Grundlagen der mechanistischen Schnittstellen zwischen internen und externen Faktoren im Gehirn, die komplexe Verhaltensweisen unter physiologischen und pathologischen Bedingungen bestimmen.

Stichworte: Mausmodell, Verhaltensneurowissenschaften, neuronale Schaltkreise, frühe Lebenserfahrung, Hypothalamus, neuronal Plastizität

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