Op naar een interdisciplinair centrum in systeembiologie op de VUB

De VUB-onderzoekers van vakgroepen Fysica (DNTK), Toegepaste Biologische Wetenschappen (DBIT) en Biologie (DBIO) verenigen hun wetenschappelijke krachten via – jawel – wiskundige modellen. Ze brengen de metagenomica-expertise (studie van genetisch materiaal afkomstig uit de omgeving) en expertise in microbiële ecosystemen van biologen en bio-ingenieurs samen met de natuurkundige expertise: technieken van niet-lineaire en collectieve dynamica uit de fysica worden toegepast op biologische systemen (Systems biology). Zo willen ze een interdisciplinair centrum in systeembiologie vestigen op de VUB en wereldwijd naar voren treden in de modellering van dynamische microbiële populaties, van genetische transcriptie, celdifferentiatie …

Dit onderzoeksproject draait om complexe systemen. Bij zo’n systeem kan het gedrag van het geheel niet meteen begrepen worden vanuit het gedrag van de onderdelen: ook netwerk, topologie… bepalen het gedrag van het geheel. Dit veroorzaakt een zekere onvoorspelbaarheid, tot zelfs chaos toe. In de fysica bevinden complexe systemen, zoals halfgeleiders, zich vooral op het mesoscopische niveau: tussen het micro- en het macroscopische. De VUB-onderzoekers trachten bestaande formalismes in de fysica zo goed mogelijk toe te passen op mesoscopische systemen. Dat doen ze al vele jaren succesvol in de fotonica, een domein tussen fysica en (nano-)technologie, en metamaterialen.

De wiskundige technieken waarmee ze mesoscopische systemen bestuderen, laten ook toepassing op heel andere, bijvoorbeeld biologische, systemen toe. Systeembiologie beschouwt de biologie als een systeem door het te ontleden in onderdelen en interacties daartussen te bestuderen. De onderzoekers ontdekten zo dat vergelijkingen in het systeem van bijvoorbeeld gentranscriptie heel analoog zijn aan de vergelijkingen van een laser met feedback. Die vergelijkingen zijn niet-lineair: het gevolg is niet evenredig met de oorzaak. Dit passen ze toe op drie types systeembiologisch onderzoek, waarbij ze voor elk experimenteel luik samenwerken met een andere groep:

 

Genetische transcriptie i.s.m. Structural Biology Brussels (SBB)

Hierbij ontwikkelden ze een wiskundig model om gentranscriptie in bacteriën, meer bepaald de functie van toxine- antitoxinesystemen, te beschrijven. De fysiologische functie is nog een raadsel voor biologen, maar dankzij het wiskundige model hebben ze kunnen aantonen dat toxine- en antitoxinesystemen waarschijnlijk een grote rol spelen in de resistentie van bacteriën tegen stress.

 

Ontwikkeling van een cel in een embryo

Tijdens de embryonale ontwikkeling zullen sommige cellen - in reactie op een extern signaal - ontwikkelen tot bijvoorbeeld een neuron, terwijl andere een heel andere evolutie kennen. Dit betekent dat de cellen een continue invoer moeten omzetten in een binaire respons. Hoe wordt een dergelijk switch mechanisme gegenereerd? Ze trachten deze vraag te beantwoorden aan de hand van een aantal model­organismen, zoals Ciona intestinalis. Ook de synchronisatie van de celdeling in de embryionale ontwikkeling van kikkers trekt hun aandacht. Onderzoekers vermoeden dat de cellen signalen aan elkaar doorgeven waardoor de celdeling op een synchrone manier gebeurt. Ze ontwikkelen modellen geïnspireerd op gekoppelde (niet-lineaire) oscillatoren in de fysica.

 

Bacteriële populatie i.s.m. Interuniversity Institute of Bioinformatics Brussel, IB²

Dankzij nieuwe technieken genereren biologische systemen vandaag hopen data. Onderzoekers bestuderen bacteriële populaties en beschrijven die vanuit een fysisch standpunt: hoe groeien bacterietypes onder gecontroleerde omstandigheden in laboratoria? Sommige bacteriën vechten om voedingsstoffen, sommige produceren stoffen die schadelijk of net goed zijn voor andere… Ook hier krijgen we zo’n complex systeem met interacties die we proberen in vergelijkingen te gieten om te voorspellen hoe het systeem reageert op interventies.

 

Contact

Prof. dr. Jan Danckaert
Applied Physics research group (APHY) - Vakgroep Fysica (DNTK) & Vakgroep Toegepaste Natuurkunde en Fotonica (TONA)
Faculteiten Wetenschappen en (Bio-)Ingenieurswetenschappen
Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, B - 1050 Brussel
02 /629.36.59
jan.danckaert@vub.ac.be, http://we.vub.ac.be/aphy/

Onderzoek aan de VUB

Zoek hier projecten, publicaties, onderzoekers, teams,...