Digitale Zwillinge von Patienten, Organsystemen, Zellmembranen und Küken
Die 7. Internationale Giersch-Konferenz 2026 am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) im März war gleichzeitig die Auftaktveranstaltung des Exzellenzclusters SCALE unter dem Motto »Towards Digital Twins for Structural Cell Biology – Criteria, Chances and Challenges«.
Foto: Anja Störiko
Der Forschungsverbund SCALE (Sub- Cellular Architecture of LifE) ist seit diesem Jahr Teil der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder. Wissenschaftler*innen der Goethe-Universität, der MPIs für Biophysik und Hirnforschung, der Universität des Saarlandes, der Johannes Gutenberg- Universität Mainz und des FIAS wollen die Selbstorganisationsprinzipien der Zelle aufdecken und verstehen, wie zelluläre Architektur entsteht und die vielen verschiedenen Funktionen der Zelle ermöglicht. Um diese Prozesse besser zu verstehen, werden die Forschenden experimentelle Daten und theoretische Ansätze zusammenführen und „digitale Zwillinge“ von Zellsegmenten entwickeln. Das sind computergestützte Modelle, die es ermöglichen sollen, die Organisation innerhalb von Zellen zu beobachten, zu analysieren und Vorhersagen über ihre Dynamik zu treffen. Langfristig könnten sie dazu beitragen, Zellfunktionen gezielt zu beeinflussen oder neu zu designen. Die leistungsstarken Computersimulationen am FIAS stehen im Zentrum dieses „Digital Twin“‘-Projekts.
Die viertägige Konferenz, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der engagierten Frankfurter Stiftung Giersch, war der Startschuss für den Exzellenzcluster. Sie brachte weltweit führende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Computational Science, Strukturbiologie und Systembiologie zusammen, um gemeinsam über die Herausforderungen und Chancen digitaler Zwillinge in der Zellbiologie zu diskutieren. Im Fokus standen neben neuen wissenschaftlichen Ansätzen auch Fragen der interdisziplinären Zusammenarbeit, der Integration von künstlicher Intelligenz und unterschiedlichen Datentypen sowie Konzepte für Open Science und den offenen Austausch von Forschungsdaten – zentrale Ziele des SCALE-Konsortiums. Rund 130 Interessierte verfolgten die spannenden Vorträge und Diskussionen, darunter auch Bewerber*innen für neu geschaffene Gruppenleiterstellen.
Als Sprecherin von SCALE eröffnete Michaela Müller-McNicoll zusammen mit FIAS-Fellow Sebastian Thallmair die Tagung. In seinem Grußwort lobte Bernhard Brüne, Vizepräsident der Goethe-Universität, SCALE als „Aushängeschild in einer einzigartigen Umgebung und mit tollen Partnern“. FIAS- Direktor Jan Wörner verwies auf das neue Institutsmotto „biologically inspired computation“, das ideal mit den Zielen von SCALE ineinandergreife.
Dagmar Iber von der ETH Zürich eröffnete den Vortragsreigen mit einem spannenden Einblick in digitale Zwillinge des weiblichen Hormonzyklus, der Lungenentwicklung und Blasenkrebsentstehung. Max Bonomi vom Institut Pasteur schilderte seine Vision der integrativen Strukturbiologie im Zeitalter der künstlichen Intelligenz und erläuterte, wie verschiedene Skalen und Datentypen integriert werden könnten.
Die folgenden Tage widmeten sich Möglichkeiten der digitalen Zwillinge, etwa von einzelnen Molekülen zu zellulären Maschinen, über Membranen und Zell-Zell-Kommunikation in Organen und neuronalen Systemen bis hin zur Entwicklung und Gesundheit ganzer Organismen. Andrej Sali (University of California), Martin Beck (MPI für Biophysik und SCALE-Sprecher) und Jan Kosinski (EMBL) zeigten, wie die Integration von mathematischen und strukturbiologischen Modellen komplexe Transportwege durch Zellkernporen simulieren kann. Sacha van Albada (FZ Jülich) und Stephan Preibisch (HHMI Janelia) beschrieben verschiedene Möglichkeiten der Entwicklung von digitalen Zwillingen des Gehirns. Loic Royer (Biohub) schilderte, wie der Einsatz von künstlicher Intelligenz und Large Language Models wie ChatGPT die Analyse von Bilddaten revolutioniert und die Entwicklung von digitalen Embryos ermöglicht. Über die Modellierung und Simulation von Genexpressionsnetzwerken berichteten Marcel Schulz (DZHK/ Goethe-Universität) und Annalisa Marsico (Helmholtz Munich). Samantha Wood (Indiana University Bloomington) nutzt digitale Zwillinge, um zu untersuchen, wie Intelligenz entsteht und wie Küken in einer künstlichen Umgebung Wahrnehmung und Sozialverhalten entwickeln.
Liesbet Geris (Université Liège) hob die Möglichkeiten von menschlichen Zwillingen im Gesundheitsbereich hervor und zeigte erfolgreiche Anwendungsmöglichkeiten etwa in der Intensivmedizin, bei Herzschrittmachern oder der Medikamentenüberwachung.
In einer lebhaften Podiumsdiskussion, moderiert von Michaela Müller-McNicoll, erörterten Loic Royer, Liesbet Geris, Sacha van Albada, Sebastian Thallmair und Stephan Preibisch, wo eine Simulation aufhört und ein digitaler Zwilling anfängt. Zusammen mit dem Publikum diskutierten sie, welche Schwierigkeiten überwunden werden müssen, aber auch welche fantastischen Möglichkeiten sich ergeben. Neben den eingeladenen Vorträgen präsentierten Teilnehmende ihre Arbeiten in Kurzvorträgen und Posterbeiträgen und erweiterten so die Diskussion über die „Kriterien, Chancen und Herausforderungen der strukturellen Zellbiologie“
Autorinnen: Anja Störiko/FIAS, Michaela Müller-McNicoll/SCALE
