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Den Mechanismen der Evolution auf der Spur © APA (Jäger)
Den Mechanismen der Evolution auf der Spur © APA (Jäger)

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Gašper Tkačik: Den Code der Natur entschlüsseln

20.02.2020

Die Programmiersprache der Natur dechiffrieren und die Prozesse der Biologie genauso berechenbar machen wie jene der Physik. Das ist das erklärte Ziel von Gašper Tkačik, der dieses Jahr den Ignaz L. Lieben Preis der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erhält. Könnte man dadurch auch evolutionäre Entwicklungen vorhersagen, dann wäre das für den Biophysiker "der Heilige Gral".

Der gebürtige Slowene, der eine Forschungsgruppe am Institute of Science and Technology (IST) Austria leitet, beschäftigt sich unter anderem mit der Frage, wie biologische Systeme trotz hoher Störanfälligkeit und knappen Energieressourcen zuverlässig ihre Aufgaben erfüllen. Indem er die Evolution quasi re-konstruiert ("reverse engineering") und sie mit Hilfe der statistischen Physik und Informationstheorie analysiert, will er einerseits universelle Muster der Informationsverarbeitung von biologischen Netzwerken und andererseits prinzipielle Unterschiede zu künstlich geschaffenen, technischen Systemen herausarbeiten.

Natur findet andere Lösungen

"Es ist erstaunlich zu beobachten, dass die Lösungen der Natur - zumindest jene, die wir halbwegs verstehen - komplett anders sind als das, was ein Techniker tun würde", erklärte er im Gespräch mit APA-Science anhand des Beispiels der Netzhaut. Die Chips moderner Kameras, die Photonen in elektrische Signale umwandeln, seien extrem präzise und verlässlich konstruiert, womit ein vorhersehbares und deterministisches Verhalten erzielt werde. Bei Nervenzellen von Lebewesen sei dagegen immer ein gewisses Rauschen im Spiel, sie können also auf einen identen Reiz variabel reagieren. "Ein einzelnes Neuron in der Retina kann viele Male genau das gleiche Bild zeigen, aber es antwortet nicht immer gleich. Aber irgendwie kompensiert das System dieses Rauschen auf individueller Ebene und man bekommt ein sehr verlässliches Output."

Der Wissenschafter und sein Team am IST Austria forschen etwa daran, wie Neuronen in der Netzhaut zusammenarbeiten, um visuelle Informationen optimal in Nervenimpulse umzuwandeln. In einem aufsehenerregenden Experiment haben die Forscher zum Beispiel aus Netzhaut-Signalen von Ratten einen Film rekonstruiert. In diesem wanderten Scheiben zufällig über den Schirm. Mit Hilfe von Methoden des maschinellen Lernens konnten sie aus den Signalen von 100 Neuronen aus der Netzhaut einer Ratte den Film exakt wiedergeben.

Wie Zellen wissen, was sie werden sollen

Eine andere zentrale Forschungsfrage Tkačiks ist es, wie ein mathematisch optimales Modell eines biologischen Netzwerks aussehen müsste, und wie es sich dann im Vergleich mit dem von der Evolution konstruierten Modell verhält. In einem noch immer andauernden "Marathon-Projekt", in das auch der US-Entwicklungsbiologe und Nobelpreisträger Eric Wieschaus involviert ist, sagen die Forscher etwa mathematisch voraus, wie sich Zellen in einem sich entwickelnden Drosophila-Embryo orientieren. Wie die Zellen der Fruchtfliege also einerseits wissen, wo sie sind, und welche "Berufslaufbahn" sie einschlagen sollen - ob sie Teil eines Flügels, Fußes oder des Kopfes werden. "Was wir mit unserem Ansatz zu sagen versuchen, ist: Wenn es ein kleines Netzwerk interagierender Gene in jeder Zelle gibt, wie soll das Netzwerk mathematisch strukturiert sein, damit es verlässlich zur selben Entscheidung für jede Zelle im Embryo darüber kommt, was sie werden soll?", erklärt Tkačik.

Ein singulär umrissenes Forschungsziel hat die multidisziplinäre Gruppe um Tkačik nicht, aber eine Richtung hat sich an der Schnittstelle von Neuro- und Computerwissenschaft herauskristallisiert. "Wir stellen mehr und mehr die Frage, wie ein neuronales System auf optimale Weise sehr komplizierte Signale repräsentieren würde." Auf der anderen Seite widmen sich die Forscherinnen und Forscher der Evolution im Bereich der Genregulation. "In der DNA gibt es spezifische Abfolgen von Buchstaben, die bestimmen, wie und wann verschiedene Gene in der Zelle gemacht oder exprimiert werden sollen. Wir fragen uns, wie die Evolution solche Sequenzen macht."

Vorhersagbare Theorie für die Biologie

Wenn es ein ultimatives Ziel seiner Forschung gibt, dann sei das fast schon auf einem philosophischen Level angesiedelt, sagt Tkačik. Die Physik sei extrem erfolgreich gewesen, indem sie vorhersagbare Theorien über das Verhalten der unbelebten Natur erstellt hat. "In der Biologie gibt es eine echte Herausforderung: Wie kann man eine ähnliche vorhersagbare Theorie für biologische Systeme bauen - kann man das überhaupt?", stellt der Wissenschafter in den Raum.

Wenn sich damit noch evolutionäre Entwicklungen von Organismen beschreiben und vorhersagen ließen, dann wäre das "so etwas wie der Heilige Gral, für viele Karrieren", sagt Tkačik, nicht ohne hinzuzufügen: "Das ist schon etwas, was meinen Motor am Laufen hält." Selbst die futuristisch klingende Vision, das Aussehen von Menschen in 500 Jahren mathematisch zu prognostizieren, hält er nicht für abwegig. "Es klingt unmöglich, aber auf der anderen Seite gibt es bereits jetzt Menschen, die versuchen, die evolutionäre Dynamik des Influenza-Virus vorherzusagen."

Von Kosmologie zur Biophysik

Seinen bisherigen Karrierelauf sieht Tkačik als bestes Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung funktioniert - oder passiert, nämlich als Verkettung von Zufällen. Nachdem er Mathematische Physik an der Universität Ljubljana studiert hatte, wollte er ins Ausland wechseln. Die Wahl fiel auf Princeton, wo er 2007 promovierte. Sein erstes Jahr als PhD an der Universität in New Jersey verbrachte er mit dem Studium der theoretischen Kosmologie, getrieben von dem Wunsch, die Entstehung des Universums verstehen zu lernen.

Weil er letztlich aber kein kleines Rädchen in einer Maschinerie von Großprojekten sein wollte, die zu jener Zeit typisch für das gerade stark abhebende Feld der Kosmologie waren, besuchte er einen Graduiertenkurs des theoretischen Biophysikers William Bialek. "Bill lehrte einmal die Woche, eine ungefähr dreistündige Vorlesung. Es war die einzige Vorlesung, bei der ich nicht eingeschlafen bin." Es dauerte nicht lange, und Tkačik hatte ein Büro neben Bialek und stieg in dessen Forschung ein. Der Rest ist Geschichte - oder ein weiterer Reigen von Zufällen, der ihn zunächst als Postdoc an die University of Pennsylvania (2008 bis 2010) und 2011 ans IST Austria führte. Wenn er einmal nicht damit beschäftigt ist, den Code des Lebens zu knacken, geht Tkačik gerne mit Frau und Sohn wandern, liest Romane oder hört klassische Musik.

Service: Der Ignaz L. Lieben Preis ist mit 36.000 Dollar (33.000 Euro) dotiert und wird Tkačik am 27. Februar in Wien verliehen. Weitere Informationen: http://go.apa.at/G2phAzEg

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