Symbolbild Auszahlungsmatrix

Spieltheorie und zelluläre Dynamik

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Foto: Jan-Peter Kasper (Universität Jena)
Schuster, Stefan, Univ.-Prof. Dr.
Professur für Bioinformatik
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Prof. Dr. Stefan Schuster
Ewald, Jan, Dr.
Professur für Bioinformatik
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Ernst-Abbe-Platz 1-2
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Jan Ewald 2018
Garde, Ravindra
Professur für Bioinformatik
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Ravindra Garde
Then, Andre
Professur für Bioinformatik
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07743 Jena
Andre Then
Chakraborty, Suman
Professur für Bioinformatik
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Raum 3427
Ernst-Abbe-Platz 1-2
07743 Jena
Suman Chakraborty

Mathematische Modellierung von Host-Pathogen-Interaktionen

Projektbeschreibung Inhalt einblenden

Die polymorphe Hefe Candida albicans und der Schimmelpilz Aspergillus fumigatus sind die wichtigsten lebensbedrohlichen humanpathogenen Pilze. Beide Pilze haben mehrere Strategien entwickelt, um das menschliche Immunsystem anzugreifen und zu umgehen. Mit evolutionärer Spieltheorie und dynamischer Optimierung analysieren wir die Interaktionen zwischen diesen Pilzen und dem menschlichen Immunsystem. Dazu untersuchen wir beispielsweise Payoff-Matrizen im Hinblick auf aggressive Strategien und friedlicher Koexistenz. In einem weiteren Ansatz nutzen wir ein dynamisches Populationsmodell, um die Charakteristika einer optimalen Immunantwort während einer Pilzinfektion zu verstehen.

Ausgewählte Literatur Inhalt einblenden
  • J. Ewald, P. Sieber, R. Garde, S.N. Lang, S. Schuster, B. Ibrahim
    Trends in mathematical modeling of host-pathogen interactions
    Cell. Mol. Life Sci., 2019, in press
  • S. Dühring, J. Ewald, S. Germerodt, C. Kaleta, T. Dandekar and S. Schuster
    Modelling the host–pathogen interactions of macrophages and Candida albicans using Game Theory and dynamic optimization
    Journal of The Royal Society Interface 14 (132), 2017, 20170095K.
  • Czakai, M. Dittrich, M. Kaltdorf, T. Müller, S. Krappmann, A. Schedler, M. Bonin, S. Dühring, S. Schuster, C. Speth, G. Rambach, H. Einsele, T. Dandekar, J. Löffler
    Influence of platelet-rich plasma on the immune response of human monocyte-derived dendritic cells and macrophages simulated with Aspergillus fumigatus
    International Journal of Medical Microbiology 307 (2), 2017, 95–107
  • S. Dühring, S. Germerodt, C. Skerka, P. F. Zipfel, T. Dandekar, S. Schuster
    Host-pathogen interactions between the human innate immune system and Candida albicans - Understanding and modeling defense and evasion strategies
    Frontiers in Microbiology 6 (625), 2015,
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DFG Collaborative Research Center / Transregio 124 "FungiNet"

Bioinformatische Analyse von molekularem Mimikry in pathogenen Pilzen

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Mehrere pathogene Ascomyceten wie Candida albicans sowie einige pathogene Zygomyceten zeigen ein interessantes Phänomen, das als irreführende Signalgebung oder als molekulares Mimikry betrachtet werden kann. Zum Beispiel bindet C. albicans menschliche Regulatoren wie den Komplementfaktor H und versteckt sich somit vom Immunsystem durch Tarnung. Dieser Ausweichmechanismus ist von hoher medizinischer Relevanz weil er lebensbedrohliche Pilzinfektionen fördern kann und bei Überreaktionen zu Autoimmunkrankheiten führen kann. Das Gleichgewicht zwischen Immunität und Autoimmunität zu erhalten stellt ein komplexes immunologisches Entscheidungsproblem dar. Das Immunsystem sollte sowohl die Anzahl der falsch negativen minimieren, d.h. die Krankheitserreger, die nicht als solche erkannt werden, als auch die Anzahl der falsch positiven, d.h. der eigenen Zellen, die fälschlicherweise angegriffen werden. Dies scheint ein bikriterielles Problem zu sein, in dem ein (optimaler) Kompromiss gefunden werden muss.

Ausgewählte Literatur Inhalt einblenden
  • S. N. Lang, S. Germerodt, C. Glock, C. Skerka, P. F. Zipfel, S. Schuster
    Molecular crypsis by pathogenic fungi using human factor H - A numerical model
    PLOS One 14, 2019, e0212187
  • S. Hummert, C. Glock, S. N. Lang, C. Hummert, C. Skerka, P.F. Zipfel, S. Germerodt, S. Schuster
    Playing hide-and-seek with factor H: Game-theoretical analysis of a single nucleotide polymorphism
    J. Royal Soc. Interface 15, 2018, 20170963
  • S. Pande, F. Kaftan, S. Lang, A. Svatos, S. Germerodt, C. Kost
    Privatization of cooperative benefits stabilizes mutualistic cross-feeding interactions in spatially structured environments
    ISME Journal 10, 2016, 1413-1423
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Jena School for Microbial Communication (JSMC)

Agentenbasierte  Modellierung mikrobieller Interaktionen

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Die Modellierung mikrobieller Interaktionen in komplexen räumlichen Umgebungen stellt gleichungsbasierte Modellierungsversuche häufig vor Herausforderungen. Deshalb versuchen wir stattdessen, über die Verwendung agentenbasierter Modellierung Einsichten in solche Systeme zu generieren. Dabei kollaborieren wir eng mit experimentellen Gruppen, um mit einem Wechselspiel aus Experiment und Simulation die relevanten Aspekte der zugrunde liegenden mikrobiellen Interaktionen zu identifizieren. In einer Kollaboration untersuchen wir beispielsweise Zyklen bei der Eisenrespiration durch die Bakterien Sideroxydans und Shewanella. Schlüsselfragen in diesem Kontext sind die Identifizierung optimaler Strategien der Bakterien in Hinblick auf den Durchsatz im Eisenzyklus und eine Bewertung des Einflusses von Umweltbedingungen, wie etwa der Sauerstoffkonzentration.

Ausgewählte Literatur Inhalt einblenden

S. Germerodt, K. Bohl, A. Lück, S. Pande, A. Schröter, C. Kaleta, S. Schuster, C. Kost: Pervasive Selection for Cooperative Cross-Feeding in Bacterial Communities, PLOS Computational Biology 12 (2016) e1004986

C. Tokarski, S. Hummert, F. Mech, M.T. Figge, S. Germerodt, A. Schroeter, S. Schuster: Agent-based modeling approach of immune defense against spores of opportunistic human pathogenic fungi, Frontiers in Microbial Immunology 3 (2012) 129

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Collaborative Research Center 1127 - Chemical mediators in complex biosystems (ChemBioSys)

Abwehr und Gegenabwehr

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Viele Interaktionen in der Natur beinhalten verschiedene Abwehrmechanismen. Um diese Mechanismen zu umgehen, gibt es mehrere Abwehrtechniken. Aber alles hat seinen Preis und dieser bestimmt das Ergebnis jeder solchen Interaktion. Die Spieltheorie ist ein effizientes Werkzeug, um solche Phänomene zu beschreiben, die wiederum einen Einblick geben, wie sich jede Spezies vor Angriffen verteidigt oder um eine starke Verteidigung herum arbeitet.

Literatur Inhalt einblenden
  • S. Schuster, J. Ewald, T. Dandekar, S. Dühring
    Optimizing defence, counter-defence and counter-counter defence in parasitic and trophic interactions - A modelling study
    arXiv:1907.04820, 2019,
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 International Max Planck Research School (IMPRS)

Oszillationen in Biofilmen

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Biofilme sind ein hervorragendes Beispiel für die ökologische Interaktion zwischen Bakterien. Oszillationen in Biofilmen sind ein aufkommendes Thema. Auf molekularer Ebene sind diese Oszillationen auf den Metabolitenaustausch zwischen peripheren und inneren Zellen zurückzuführen. Wir sind daran interessiert, die Dynamik dieser Oszillationen durch mathematische Modellierung und Vergleiche mit verschiedenen wohlbekannten Oszillatoren wie den von Goodwin beschriebenen zu untersuchen.

Literatur Inhalt einblenden
  • R. Garde, B. Ibrahim, Á. T. Kovács, S. SchusterDifferential equation based minimal model describing metabolic oscillations in Bacillus subtilis biofilms
    bioRxiv: 10.1101/775593 , 2019, preprint
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 International Max Planck Research School (IMPRS)

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