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Any arbitrary movement, any turning of the head or lifting of an arm requires the coordinated contraction of muscles. The contraction of a muscle is driven by myofibrils contracting in each individual muscle cell simultaneously. If the function of these microscopic myofibrils is disturbed, this leads to serious diseases such as muscle weakness. Despite the medical significance of myofibrils, it is not yet understood how these complicated power machines are assembled in the body. Biologists and physicians were able to identify the individual building blocks that make up each myofibril (including the largest protein molecules in the world) and how they are arranged in the finished myofibril. In mature myofibrils, a scaffold of elastic biofilaments alternates with so-called molecular motors that convert chemical energy into mechanical work. This arrangement is as regular as in a crystal and enables large forces to be generated effectively and quickly.

However, how the individual building blocks of myofibrils arrange themselves into such highly regular patterns during embryonic development or during healing processes (e.g. after sports injuries) is still a matter of controversy in science. In order to uncover this secret, cooperation between different scientific disciplines is required. An interdisciplinary team led by biologist Frank Schnorrer (Developmental Biology Institute of Marseille - IBDM), the physician Olivier Pourquie (Harvard Medical School) and the physicist Benjamin Friedrich (Center for Advancing Electronics Dresden - cfaed, TU Dresden) has now been awarded a research grant by the international "Human Frontier Science Program" to investigate this question. The order has a volume of over one million US dollars and a term of three years.

Frank Schnorrer's group will use high-resolution video microscopy to follow the individual stages of pattern formation in the fruit fly model organism. The flies are genetically modified so that individual molecules can be made visible or knocked out. The researchers also hope to use novel biomolecules that light up when they are subjected to mechanical stress and thus enable the precise measurement of minute forces. For the first time it is now possible to investigate how the formation of regular structures and the generation of mechanical forces go hand in hand during the self-assembly of myofibrils.

Oliver Pourquie's team uses human stem cells that are differentiated into muscle cells in the Petri dish. This makes it possible to test the findings obtained from fruit flies directly on mammalian cells without the need for animal experiments.
In order to evaluate the data obtained in this way, novel image processing and analysis algorithms are necessary, which are being developed in the group of Benjamin Friedrich. Physical concepts from the physics of soft condensed matter (e.g. order states of liquid crystals such as those found in LCD screens) play an important role here. Based on the biological data, computer models will be developed that map different variants for the pattern formation process of myofibrils. These simulations can be used to make predictions that are then tested again in experiments. These new findings are implemented into the computer models again, so that a comprehensive understanding of the physical mechanisms of spontaneous assembly of the myofibrils can be obtained step by step.

About Dr. Benjamin Friedrich

The Dresden-based project partner Benjamin Friedrich is research group leader in the “Cluster of Excellence” cfaed. Among other things, he investigates the question of how biomolecules spontaneously assemble into functional structures and how these processes function robustly even in the event of disturbances and fluctuations. Of particular interest is the transfer of biological principles to engineering problems, such as the self-organized dynamics of stochastic components. Conversely, dealing with technical applications gives a completely new view of the fundamental biological question of how biological systems function reliably, despite various interferences. Here, Dresden is an ideal location for interdisciplinary research with the Excellence University TU Dresden with the Cluster of Excellence cfaed, but also the proposed Cluster of Excellence "Physics of Life", and the many partner institutes, such as the Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics, or the Biotechnology Centre.

Biological Algorithms Group: https://cfaed.tu-dresden.de/friedrich-home

Human Frontier Science Program awardees 2018: http://www.hfsp.org/awardees/newly-awarded

Press Images

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Image 2 HiRes Download: https://bit.ly/2xOyaRv

Image Caption: Myofibrils under the microscope. The highly regular structure with a periodic pattern of actin biopolymers (red), molecular motors (green) and compound proteins (blue) is clearly visible. When activated, each of the periodic structures contracts due to the force of the molecular motors.

Image 3 HiRes Download: https://bit.ly/2JznEyV

Image 4 HiRes Download: https://bit.ly/2l1doEV

Caption: Dr. Benjamin Friedrich, Research Group Leader Biological Algorithms Group. Photo: Katharina Knaut

Press Contact:

Dr. Benjamin Friedrich
TU Dresden, cfaed Research Group Leader Biological Algorithms
tel. +49 (0)351 463 42341
E-mail: benjamin.m.friedrich@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Head of Communications
tel. +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

About cfaed - Center for Advancing Electronics Dresden

cfaed is a “Cluster of Excellence” within the Excellence Initiative of the German federal and state governments. The interdisciplinary research center for advancing electronics is based as a Central Academic Unit at TU Dresden, and also integrates TU Chemnitz as well as nine non-university research institutions in Saxony as participating institutions. The Cluster brings together 300 scientists from around 30 nations. It is engaged in the development of completely new solutions for the transmission and processing of information. With its vision, the Cluster aims to shape the future of electronics and initiate revolutionary new applications, such as electronics featuring zero-boot time, that are capable of THz imaging, or support complex biosensors. In order to achieve its goals, cfaed combines the thirst for knowledge of the natural sciences with the innovative power of the engineering sciences. Novel materials such as 2D materials, silicon nanowires, carbon nanotubes or polymers as well as completely new concepts such as self-assembling structures from DNA originals are investigated. The DFG-funded cluster is in its first funding period, which runs from 2012 to 2018. A proposal for a further seven-years funding period has been submitted.

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Deutsche Version

Muskelaufbau im Computer: Internationales Team will Entstehung von Myofibrillen enträtseln

cfaed-Gruppenleiter wirbt gemeinsam mit zwei weiteren internationalen Wissenschaftlern „Human Frontier Science Program“-Förderung für Erforschung der Myofibrillen ein

Wie sich der Bizeps anspannt, ist heute kein Geheimnis mehr. Verantwortlich sind sogenannte Myofibrillen in jeder Muskelzelle, die sich zeitgleich zusammenziehen. Jede dieser Fibrillen stellt ein exaktes Muster aus Hunderten gleich aufgebauten Einheiten dar, bestehend aus verschiedenen Eiweißmolekülen. Wie sich jedoch diese einzelnen Bausteine während der Embryonal-Entwicklung oder bei Heilungsprozessen wie von selbst zu hoch-regulären Mustern anordnen, ist bisher nicht verstanden. Ein interdisziplinäres Team unter Beteiligung des Physikers Dr. Benjamin Friedrich (Center for Advancing Electronics Dresden – (cfaed), TU Dresden) hat nun beim „Human Frontier Science Program“ einen Forschungsauftrag eingeworben, um dieser Frage nachzugehen.

Jede willkürliche Bewegung, jedes Drehen des Kopfes oder Heben eines Arms, erfordert die koordinierte Kontraktion von Muskeln. Das Zusammenziehen eines Muskels entsteht, in dem sich in jeder einzelnen Muskelzelle sogenannte Myofibrillen gleichzeitig zusammenziehen. Wenn die Funktion dieser mikroskopischen Myofibrillen gestört ist, hat dies schwerwiegende Krankheiten wie Muskelschwächen zur Folge. Trotz der medizinischen Bedeutung der Myofibrillen ist noch nicht verstanden, wie diese komplizierten Kraftmaschinen im Körper zusammengebaut werden. Biologen und Mediziner konnten die einzelnen Bausteine identifizieren, aus denen jede einzelne Myofibrille besteht (darunter die größten Eiweißmoleküle der Welt), und wie diese in der fertigen Myofibrille angeordnet sind. In der reifen Myofibrille wechseln sich ein Gerüst aus elastischen Biofilamenten und sogenannte molekulare Motoren ab, die chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Diese Anordnung ist so regelmäßig wie in einem Kristall und ermöglicht es, effektiv schnell große Kräfte zu erzeugen.

Wie sich jedoch die einzelnen Bausteine der Myofibrillen während der Embryonal-Entwicklung oder bei Heilungsprozessen (z.B. nach Sportverletzungen) wie von selbst zu derart hoch-regulären Mustern anordnen, wird in der Wissenschaft nach wie vor kontrovers diskutiert. Um diesem Geheimnis auf die Spur zu kommen, braucht es die Zusammenarbeit von verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen. Ein interdisziplinäres Team unter der Führung des Biologen Frank Schnorrer (Developmental Biology Institute of Marseille – IBDM), sowie des Mediziners Olivier Pourquie (Harvard Medical School) und des Physikers Benjamin Friedrich (Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed, TU Dresden) wurde nun vom international agierenden „Human Frontier Science Program“ mit einem Forschungsauftrag ausgezeichnet, um dieser Frage nachzugehen. Der Auftrag ist mit einem Volumen von über einer Million US-Dollar dotiert, die Laufzeit beträgt drei Jahre.

Die Gruppe um Frank Schnorrer wird am Modellorganismus der Fruchtfliege mit hochaufgelöster Videomikroskopie die einzelnen Stadien der Musterbildung verfolgen. Die Fruchtfliegen sind genetisch verändert, so dass einzelne Moleküle sichtbar gemacht werden können, oder aber auch gezielt ausgeschaltet werden können. Zum Einsatz kommen sollen dabei auch neuartige Biomoleküle, die fluoreszent aufleuchten, wenn sie unter mechanische Spannung gesetzt werden und es so erlauben, winzige Kräfte präzise zu vermessen. Damit kann nun erstmalig untersucht werden, wie das Entstehen regelmäßiger Strukturen und die Erzeugung mechanischer Kräfte während des Selbst-Zusammenbaus von Myofibrillen Hand in Hand gehen.

Oliver Pourquies Team wiederum verwendet menschliche Stammzellen, die in der Petrischale zu Muskelzellen differenziert werden. Damit ist es möglich, die an der Fruchtfliege gewonnen Erkenntnisse direkt an Säugetier-Zellen zu testen, ohne dass Tierexperimente nötig sind.

Um die so gewonnen Daten auszuwerten, sind neuartige Bildverarbeitungs- und Analysealgorithmen nötig, die in der Gruppe von Benjamin Friedrich entwickelt werden. Hierbei spielen insbesondere physikalische Konzepte aus der Physik weicher kondensierter Materie (also z.B. Ordnungszustände von Flüssigkristallen, wie sie sich in LCD-Bildschirmen befinden) eine wichtige Rolle. Ausgehend von den biologischen Daten sollen Computermodelle entwickelt werden, die verschiedene Varianten für den Musterbildungsprozess der Myofibrillen abbilden. Anhand dieser Simulationen lassen sich Vorhersagen treffen, die dann wieder in Experimenten getestet werden. Diese neuen Erkenntnisse fließen anschließend erneut in die Computermodelle ein, so kann schrittweise ein umfassendes Verständnis für die physikalischen Mechanismen des spontanen Zusammenbaus der Myofibrillen gewonnen werden.

Über Dr. Benjamin Friedrich

Der Dresdner Projektpartner Benjamin Friedrich ist Forschungsgruppenleiter im Exzellenzcluster cfaed. Hier beschäftigt er sich unter anderem mit der Frage, wie Biomoleküle sich spontan zu funktionalen Strukturen zusammenbauen, und wie diese Prozesse auch bei Störungen und Fluktuationen robust funktionieren. Besonders interessant ist dabei die Übertragung von biologischen Prinzipien auf ingenieurtechnische Probleme, wie zum Beispiel die selbstorganisierte Dynamik stochastischer Komponenten. Umgekehrt gibt die Beschäftigung mit technischen Anwendungen einen ganz neuen Blick auf die grundlegende biologische Fragestellung, wie biologische Systeme zuverlässig funktionieren, trotz vielfältiger Störeinflüsse. Hier ist Dresden mit der Exzellenzuniversität TU Dresden mit dem Exzellenzcluster cfaed, aber auch dem beantragten Exzellenzcluster „Physics of Life“,  und den vielen Partnerinstituten, wie z.B. dem Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik, oder dem Biotechnologischem Zentrum ein idealer Standort für interdisziplinäre Forschung.

Biological Algorithms Group: https://cfaed.tu-dresden.de/friedrich-home

Human Frontier Science Program awardees 2018: http://www.hfsp.org/awardees/newly-awarded

Pressebilder:

Bild 1 HiRes-Download: https://bit.ly/2kTDhGI

Bild 2 HiRes-Download: https://bit.ly/2xOyaRv

Bildunterschrift: Myofibrillen unter dem Mikroskop. Deutlich sichtbar ist die hoch-reguläre Struktur mit einem periodischen Muster aus Aktin-Biopolymeren (rot), molekularen Motoren (grün) und Verbindungseiweißen (blau). Bei Aktivierung zieht sich jede einzelne der periodischen Strukturen durch die Kraft der molekularen Motoren zusammen.

Bild 3 HiRes-Download: https://bit.ly/2JznEyV

Bild 4 HiRes-Download: https://bit.ly/2l1doEV

Bildunterschrift: Dr. Benjamin Friedrich, Guppenleiter Biological Algorithms Group. Foto: Katharina Knaut

Pressekontakt:

Dr. Benjamin Friedrich
TU Dresden, cfaed Research Group Leader Biological Algorithms
Tel. +49 (0)351 463 42341
E-mail: benjamin.m.friedrich@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Leitung Öffentlichkeitsarbeit
Tel. +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

Über das cfaed - Center for Advancing Electronics Dresden

Das cfaed ist ein Exzellenzcluster im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder. Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es als Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung an der TU Dresden angesiedelt, bindet jedoch neben der TU Chemnitz auch neun außeruniversitäre Forschungsreinrichtungen in Sachsen als Kooperationsinstitute ein. Der Cluster vereint 300 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus rund 30 Nationen. Er beschäftigt sich mit der Entwicklung völlig neuartiger Lösungen für die Übertragung und Verarbeitung von Informationen. Mit seiner Vision möchte der Cluster die Zukunft der Elektronik gestalten und revolutionär neue Applikationen initiieren, wie bspw. Elektronik, die keine Bootzeit benötigt, die fähig zur THz-Bildgebung ist, oder komplexe Biosensorik unterstützt. Um seine Ziele zu erreichen, vereint das cfaed den Erkenntnisdrang der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften. Betrachtet werden neuartige Materialien wie 2D-Materialien, Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere, aber auch völlig neue Konzepte wie selbstassemblierende Strukturen aus DNA-Origami. Der von der DFG geförderte Cluster befindet sich in seiner ersten Förderperiode, die von 2012 bis 2018 läuft. Der Antrag für eine Förderung ab 2019 für weitere sieben Jahre ist eingereicht.

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