
|
Categories:
Topics:
Tools
Selected articles
Συστημική βιολογία στη σχολική τάξη;Submitted by celius on 06 July 2010
Featured on frontpage?: no Μετάφραση από Έλενα Νταβίντοβα, Παναγιώτης Στασινάκης
Αλλά, τι είναι ακριβώς;
Σύμφωνα με τον Leroy Hood, τον ιδρυτή του πρώτου στον κόσμο Ινστιτούτο Συστηματικής Βιολογίαςw3 στο Σηάτλ των ΗΠΑ, η «συστημική βιολογία» μπορεί να οριστεί βάση έξι θεμελιωδών χαρακτηριστικών:
Η έμφαση στην ολότητα του συστήματος είναι πολύ σημαντική, καθώς επισημαίνει την αντιστροφή μιας ισχυρά απλουστευτικής (αναγωγιστικής) προσέγγισης της έρευνας που ξεκίνησε με τις πρώτες βιοχημικές μελέτες σε απομονωμένα ένζυμα, στο τέλος του 19ου αιώνα και το πρώτο μισό του 20ου αιώνα (Cornish-Bowden & Cárdenas, 2005). Η αναγωγιστική προσέγγιση ήταν απαραίτητη εκείνη την εποχή: η πρόοδος θα ήταν μικρή χωρίς την απομόνωση και τη μελέτη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των επιμέρους συστατικών των κυττάρων. Παρ’ όλα αυτά, γίνεται όλο και πιο ξεκάθαρο πως η συμπεριφορά ενός μόνο κυττάρου, ή πληθυσμού κυττάρων, είναι το αποτέλεσμα ενός περίπλοκου συνδυασμού αλληλεπιδράσεων οι οποίες δημιουργούν ανοδικά υψηλότερα επίπεδα οργάνωσης και συγχρόνως καθοδικά μεμονωμένα μόρια ή τα σύμπλοκά τους σε αυτά τα κύτταρα.
Τα αποτελέσματα των αναζητήσεων στην PubMed, που αναφέρθηκαν προηγουμένως, μπορεί να δίνουν την εντύπωση ότι η συστημική βιολογία εμφανίστηκε κάποια στιγμή ξαφνικά και αναπτύχθηκε ραγδαία, μεταξύ του 1999 και του 2000. Στην πραγματικότητα, η συστημική βιολογία υπήρχε με διάφορες μορφές και ονομασίες από παλιά. Οι φυσιολόγοι που αναφέρθηκαν νωρίτερα, δικαιολογημένα θεωρούνται ως οι πρόδρομοι του τομέα, καθώς η φυσιολογία ορίζεται ως «η μελέτη των ζωντανών οργανισμών και των μερών τους», όπως είναι και η συστημική βιολογία, εγγενώς ενοποιητική (Strange, 2005). Τελικά, τι θα μπορούσε να μας διδάξει η συστημική βιολογία; Αυτού του είδους η έρευνα προσφέρει πλήρης κατανόηση του συστήματος μελέτης, είτε αυτό είναι ένα σχετικά απλό δίκτυο αλληλεπιδρώντων μορίων, ή ένα κύτταρο, ή ένας ιστός, ή ένα όργανο. Στο επίπεδο του μεμονωμένου κυττάρου οι Cheong and Levchenko (2008) ανέλυσαν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν για το βιοχημικό μονοπάτι της NF-kappaB. Αυτός ο μοριακός σηματοδότης χρησιμοποιείται ευρέως από τα κύτταρα, κατά την αντιφλεγμονώδη απόκριση στη λοίμωξη. Τις τελευταίες δεκαετίες πληθώρα δεδομένων έχουν συλλεχθεί για τα μεμονωμένα συστατικά του συστήματος. Σήμερα, η συστημική βιολογία ενσωματώνει τα ποσοτικά υπολογιστικά μοντέλα ολόκληρου του μονοπατιού μέσα σε ένα κύτταρο, και μετά οι ερευνητές αξιολογούν πειραματικά αν οι προβλέψεις που έγιναν από το μοντέλο είναι σωστές. Τα αποτελέσματα έχουν οδηγήσει σε αξιοσημείωτα αποτελέσματα σχετικά με το περίπλοκο αυτό μοριακό κύκλωμα που χρησιμοποιούν τα κύτταρα, για να ανιχνεύουν και να καταπολεμούν τη λοίμωξη. Τελικά, αυτή η γνώση θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε γιατί τα άτομα παρουσιάζουν διαφορετικές αντιφλεγμονώδεις αποκρίσεις και ως εκ τούτου θα οδηγηθούμε σε αποτελεσματικότερες θεραπείες. Στο επίπεδο ολόκληρου του οργανισμού, ο Nicholson (2006) πρότεινε μία συστημική προσέγγιση για το μεταβολισμό, συμπεριλαμβάνοντας και την εντερική μικροχλωρίδα. Ο κυτταρικός μεταβολισμός είναι ως επί το πλείστον ένα παιχνίδι πιθανοτήτων στο οποίον οι μεταβολίτες ή τα φάρμακα αλληλεπιδρούν με ένζυμα ή με άλλα μόρια, με ευκαιριακό τρόπο. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να επιφέρουν διαφορετικά αποτελέσματα, μερικά από τα οποία μπορεί να προκαλέσουν κυτταρική βλάβη. Και αυτό είναι μόνο για ένα κύτταρο× φανταστείτε πόσο περίπλοκο είναι να προβλέψουμε τη μεταβολική κατάσταση ενός ανθρώπινου οργανισμού! Μόνο με τη μελέτη και την κατασκευή μαθηματικών μοντέλων, στο σύνολο του συστήματος, μπορούμε να ελπίζουμε ότι θα κατανοήσουμε την πολυπλοκότητα τέτοιων αποκρίσεων και θα αναπτύξουμε θεραπείες οι οποίες είναι ακριβώς προσαρμοσμένες στην κατάσταση του συστήματος οποιουδήποτε ατόμου. Θα έπρεπε η συστημική βιολογία να συμπεριλαμβάνεται στο σχολικό πρόγραμμα; Κατά τη γνώμη μου - ναι. Με αυτό δεν υπονοώ ότι οι μαθητές χρειάζεται να έχουν πρόσβαση σε υψηλής απόδοσης συστήματα μικροσυστοιχιών ή πρωτεωμικής. Απλά, νομίζω ότι είναι σημαντικό να διδάσκονται μερικές από τις βασικές αρχές της συστημικής βιολογίας, και πάνω απ’ όλα, να κατανοήσουν τους περιορισμούς των αναγωγιστικών προσεγγίσεων που εδώ και πολύ καιρό κυριαρχούν στη βιολογική έρευνα. Η αρθρωτότητα (αρθρωτή συστημική βιολογία) είναι μια άλλη σημαντική έννοια: αυτό σημαίνει ότι τα βιολογικά συστήματα είναι περίπλοκα, αλλά θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως δίκτυα μικρότερων κι απλούστερων μονάδων (αρθρώματα) τα οποία επιτελούν καθορισμένες λειτουργίες. Άλλες θεμελιώδεις έννοιες ενός συστήματος είναι η ευρωστία (συνεχιζόμενη λειτουργία παρά τις γενετικές και περιβαλλοντικές διαταραχές) και η εξελιξιμότητα (η ικανότητα για αλλαγή). Ο διεθνής διαγωνισμός Μηχανική Γενετικά Τροποποιημένων (iGEM)w5προσκαλεί πανεπιστημιακούς φοιτητές να εφαρμόσουν στην πράξη πλήθος των αρχών της συστημικής βιολογίας, σχεδιάζοντας και χρησιμοποιώντας τυποποιημένα βιολογικά συστατικά. Η καταχώρηση αυτών των συστατικών είναι ένα μία συναρπαστική διαδικτυακή πηγή, όπου διαπιστώνει κανείς πως τα συστήματα και η συστηματική βιολογία είναι διασκεδαστικάw6! Μεταξύ αυτών, το μοναδικό BacteriO’Clockw7 – ένας απλός δοκιμαστικός σωλήνας με τροποποιημένα βακτήρια που αλλάζουν χρώμα σύμφωνα με την ώρα της ημέρας (ομάδα Παρισιού). Οι ομάδες του iGEM εργάζονται σε διάφορα σχέδια όπως το Lactobacillus που παράγει γιαούρτι που καθαρίζει τα δόντιαw8 (ομάδα του MIT) ή ένας βακτηριακός βιοαισθητήρας που μπορεί να ενσωματωθεί πλήρως σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμαw9 (ομάδα του Χάρβαρντ) ή ένα κύτταρο E. Coli που λάμπει όταν ανιχνεύει παθογόνα βακτήρια στο πόσιμο νερό (ομάδα του Σέφιλντ). Οι μελλοντικές γενιές χρειάζεται να γνωρίζουν ότι υπάρχουν καταπληκτικές ευκαιρίες για να αντιμετωπιστούν πλήθος ιδιαίτερων κοινωνικών προβλημάτων, ύψιστης σημασίας. Η συστημική βιολογία χρειάζεται συστημικούς βιολόγους και υπάρχει πραγματική ανάγκη για επιστήμονες στους κλάδους της φυσικής, της επιστήμης των υπολογιστών και της βιολογίας που θα δουλεύουν μαζί και θα αναπτύσσουν τον τομέα. Ώστε, η συστημική βιολογία να αρχίσει να προσφέρει τα οφέλη της στο κοινωνικό σύνολο. Ευχαριστίες Είμαι πολύ υποχρεωμένος στον Dr Thomas Lemberger (EMBO), τόσο για τα σχόλια του σχετικά με αυτό το άρθρο, όσο και για πλήθος άλλων συζητήσεων σχετικά με τη συστημική βιολογία. Αναφορές Cheong R, Levchenko A (2008) Wires in the soup: quantitative models of cell signalling. Trends in Cell Biology 18: 112-118. Cornish-Bowden A, Cárdenas ML (2005) Systems biology may work when we learn to understand the parts in the terms of the whole. Biochemical Society Transactions 33: 516-519. Nicholson JK (2006) Global systems biology, personalized medicine and molecular epidemiology. Molecular Systems Biology 2: 52. Noble (2007) From the Hodgkin-Huxley axon to the virtual heart. Journal of Physiology 580(1):15-22. Strange K (2005) The end of "naïve reductionism": rise of systems biology or renaissance of physiology? American Journal of Physiology 288: 968-974. Αναφορές στο διαδίκτυο w1 – Για να έχετε πρόσβαση στο PubMed, επισκεφθείτε το: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed w2 – Μπορείτε να βρείτε ταινίες για την κινητικότητα των βακτηρίων, εδώ: www.microbiologybytes.com/video/motility.html w3 – Περισσότερες πληροφορίες για το Ινστιτούτο Συστημικής Βιολογίας, δείτε: www.systemsbiology.org w4 – Για να παρακολουθήσετε ένα βίντεο του Denis Noble, ο οποίος εικονογράφησε τις αρχές της συστημικής βιολογίας χρησιμοποιώντας την εικονική καρδιά, δείτε: http://videolectures.net/eccs07_noble_psb
w5 – Για να μάθετε περισσότερα για το διαγωνισμό iGEM, δείτε: http://2008.igem.org/Main_Page w6 – Η ιστοσελίδα BioBricks για την καταχώρηση συστατικών που χρησιμοποιούνται στο διαγωνισμό iGEM, μπορείτε να τα βρείτε εδώ: http://partsregistry.org/Main_Page w7 – Για μία εξήγηση και το βίντεο του BacteriO’Clock, δείτε: http://2008.igem.org/Team:Paris w8 – Περισσότερες πληροφορίες για την iGEM ομάδα του MIT, το «βιογιαούρτι» («biogurt») που καθαρίζει τα δόντια σας, δείτε: http://2008.igem.org/Team:MIT w9 – Περισσότερα για την ομάδα του Χάρβαρντ το iGEM και την εργασία τους ‘bactricity’, δείτε: http://2008.igem.org/Team:Harvard Πηγές Με μια διορατική ιστορική επισκόπηση της εξέλιξης της συστημικής βιολογίας, οι Westerhoff και Palsson (2004) δείχνουν πώς οι ιδέες στη μοριακή και κυτταρική αυτo-οργάνωση επεκτάθηκαν σε μοντελοποίηση και ποσοτική ανάλυση των μεταβολικών δικτύων. Αυτές, οι μικρής κλίμακας προσεγγίσεις, αποτελούν σημαντική εισαγωγή στην ανάπτυξη της σύγχρονης συστημικής βιολογίας.
Δείτε το ιστολόγιο «Τι είναι η συστημική βιολογία;» στο http://blog-msb.embo.org/blog/2007/07/what_is_systems_biology_3.html Για ανασκόπηση μίας περισσότερο αναγωγιστικής, αλλά προσέγγισης αιχμής στη βιολογία και την πρωτεϊνική κρυσταλλογραφία, δείτε:
Ο Les Grivell είναι μοριακός βιολόγος. Πριν εργαστεί στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Μοριακής Βιολογίας (European Molecular Biology Organization - EMBO), διεύθυνε ένα ερευνητικό εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, στην Ολλανδία, με ενδιαφέροντα τη γενετική της ζύμης, τη γονιδιωματική και τη βιοενέργεια. Στο EMBO συντόνιζε ένα Ευρωπαϊκό ερευνητικό δίκτυο που εστιαζόταν στην εξαγωγή πληροφοριών από κείμενα, στις σημειολογικές ετικέτες και στην ενσωμάτωση των διαφορετικών τύπων δεδομένων βιοπληροφορικής (που προέρχονται από την έρευνα της μοριακής βιολογίας) στην παρεχόμενη επιστημονική βιβλιογραφία. Αυτή τη στιγμή είναι διευθυντής των δημοσιεύσεων του EMBO και εκδότης του περιοδικού Molecular Systems Biology. Κριτική Η φυσιολογία εξετάζει πώς λειτουργούν τα βιολογικά συστήματα. Αυτό το άρθρο περιγράφει πώς η μοριακή προσέγγιση στη βιολογία, αποκαλύπτει τη συνεργασία κυττάρων και συστημάτων για να επιτελέσουν συστημικές λειτουργίες. Το μοντέλο της εικονικής καρδιάς που βρίσκεται στο διαδίκτυο αξίζει της προσοχής μας, καθώς απεικονίζει πώς τα κύτταρα λειτουργούν ως ένα σύστημα. Η ιστοσελίδα του διαγωνισμού iGEM μπορεί να προσπελασθεί από οιονδήποτε που διερευνά καινοτόμες εφαρμογές στη γενετική μηχανική και στη συστημική βιολογία. Αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει αρκετά ενδιαφέρουσες συζητήσεις και μπορεί να κινητοποιούσε μερικούς μαθητές να αποκτήσουν δικές τους ιδέες. Αυτό το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να συζητηθούν τα ακόλουθα θέματα:
Ερωτήσεις κατανόησης που πιθανώς μπορούν να τεθούν προς τους μαθητές, είναι οι εξής:
Shelley Goodman, Ηνωμένο Βασίλειο
|