Der Ignaz L. Lieben Preis der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) geht heuer an den Biophysiker Gašper Tkačik vom Institute of Science and Technology (IST) Austria im niederösterreichischen  Klosterneuburg. Wie die ÖAW mitteilte, erhält er ihre älteste und höchstdotierte Auszeichnung für "seine herausragenden Forschungen an der Schnittstelle zwischen Mathematik, Biophysik und Neurowissenschaften".

Der gebürtige Slowene Tkačik untersucht mit seiner Forschungsgruppe am IST Austria biologische Netzwerke aus einer multidisziplinären Perspektive. Dabei spürt er mit Methoden und Ansätzen der Informationstheorie, der statistischen Physik, der Biophysik und der Biologie Abläufen wie chemischen Reaktionsketten in Zellen und Neuronenverbindungen im Gehirn nach. Damit will er unter anderem klären, wie Information übertragen wird und Informationsnetzwerke entstehen. Sein Ziel sind mathematische Theorien und Modelle, mit denen sich evolutionäre Entwicklungen von Organismen beschreiben und vorhersagen lassen.

Natur findet ihre eigenen 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", erklärt Tkačik am Beispiel 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 den Nervenzellen von Lebewesen sei dagegen immer ein gewisses Rauschen im Spiel, sie können 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  verlässliches Output."

Der Wissenschafter und sein Team am IST Austria forschen etwa daran, wie Neuronen in der Netzhaut zusammenarbeiten, um visuelle Informationen in Nervenimpulse umzuwandeln. In einem aufsehenerregenden Experiment haben die Forscher etwa 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 laufenden "Marathon-Projekt" sagen die Forscher etwa mathematisch voraus, wie die Zellen der Fruchtfliege wissen, wo sie sind, und welche "Berufslaufbahn" sie einschlagen sollen - ob sie Teil eines Flügels, Fußes oder des Kopfes werden.

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."

"Heiliger Gral": Die Evolution vorhersagen

Die Physik sei extrem erfolgreich gewesen, indem sie vorhersagbare Theorien über das Verhalten der unbelebten Natur erstellt hat. Wenn sich 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."

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.

Molekularbiologie, Chemie und Physik

Den mit 33.000 Euro dotierte Ignaz L. Lieben-Preis erhält er am 27. Februar in Wien. Die Auszeichnung wird an junge Wissenschafter aus Bosnien-Herzegowina, Kroatien, Slowakei, Slowenien, Tschechien, Ungarn und Österreich für herausragende Arbeiten auf den Gebieten der Molekularbiologie, Chemie und Physik vergeben.

Der nach dem Gründer des Bankhauses Lieben benannte Ignaz L. Lieben-Preis wurde ursprünglich 1863 gestiftet. Seine Vergabe wurde 1938 wegen Verfolgung der Stifterfamilie durch die Nationalsozialisten eingestellt. Durch finanzielle Unterstützung des US-amerikanischen Stifter-Ehepaares Isabel und Alfred Bader konnte der Lieben-Preis reaktiviert und 2004 erstmals neu ausgeschrieben werden.

Der traditionell gemeinsam mit dem Lieben-Preis vergebene Bader-Preise für Kunstgeschichte bzw. für die Geschichte der Naturwissenschaften wird heuer nicht verliehen. Kein Kandidat habe den hohen Anforderungen des Preises entsprochen, teilte die Akademie mit. (apa)