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Entwicklungsbiologie: Die Simulation der Embryonalentwicklung

Die Bildung eines komplexen Organismus aus einer einzigen Zelle - der befruchteten Eizelle - ist ein faszinierender Prozess. Mathematisch fundierte Modellbildung hat zum Verständnis der zu Grunde liegenden komplexen Mechanismen wesentlich beigetragen.
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Alle Zellen eines höheren Organismus einschließlich des Menschen tragen in ihrem Kern dieselbe genetische Information; denn diese wird bei jeder Zellteilung an beide Tochterzellen weitergegeben. Trotzdem bilden die Zellen während der Entwicklung sehr verschiedene Strukturen wie Kopf, Arme, Blutgefäße oder Nerven, und zwar mit großer Zuverlässigkeit zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle. Die Ähnlichkeit eineiiger Zwillinge zeigt, bis in welche Details die genetische Festlegung geht. Was veranlasst die Zellen, in verschiedenen Regionen verschiedene Strukturen zu bilden, wo doch ihre genetische Ausstattung stets dieselbe ist?

Der Versuch, die ungeheuer komplexe Embryonalentwicklung in ein paar Gleichungen zu fassen, mag zunächst hoffnungslos erscheinen. Man kann jedoch den Prozess in klar getrennte elementare Schritte zerlegen, die dann einer Theoriebildung zugänglich sind. Zusammen mit Alfred Gierer habe ich ab 1972 mathematische Modelle für einzelne Teilschritte entwickelt. Diese Modelle machten konkrete Voraussagen über den Charakter der beteiligten molekularen Wechselwirkungen. Insbesondere müssen gewisse Bedingungen mindestens erfüllt sein, damit lokale Signalzentren gebildet werden. Durch Computersimulationen haben wir gezeigt, dass die von uns postulierten Wechselwirkungen die beobachteten Vorgänge und ihre Eigenschaften sehr gut wiedergeben können...
März 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft März 2010

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