Übersetzt von Yvonne Beck

Leroy Hood erklärt Systembiologie Mit freundlicher Genehmigung des EMBL Photolab

Leroy Hood spricht mit Marlene Rau, Anna-Lynn Wegener und Sonia Furtado über seinen langjährigen Einsatz für innovativen Naturwissenschaftsunterricht und darüber, wie er als Vater der Systembiologie bekannt wurde. „Schüler hassen es, ‚didaktisch‘ unterrichtet zu werden, sie hassen es, Vorlesungen zu hören, sie hassen es, Fakten vorgesetzt zu bekommen. Schüler, insbesondere die jüngeren, mögen es, in den Unterricht eingebunden zu werden, etwas zum Anfassen zu haben."

Mit dieser Vorstellung begann Leroy Hood - ein Mann, der beschließt, die Welt zu verändern und sich dann aufmacht, dies in die Tat umzusetzen –Veränderungen im Unterrichtsstil naturwissenschaftlicher Fächer in Seattle zu durchzusetzen: „Praxisorientierte Wissenschaft, in der Fragen gestellt werden, wollten wir einführen, als wir 1992 hierher kamen^w1. Zunächst bemühten wir uns darum, alle 72 Elementarschulen in Seattle – alle 23000 Schüler und 1100 Lehrer – für diesen Ansatz zu gewinnen. Der Schwerpunkt unserer Arbeit lag fünf Jahre lang auf einer Reihe von Workshops, in denen Lehrer in 100 bis 150 Stunden sowohl methodisch als auch inhaltlich geschult wurden. Man braucht wirklich beides: Aufsehen erregende Experimente sind wertlos, wenn die inhaltliche Erklärung fehlt. Wir haben wahrscheinlich 90 bis 95% der Lehrer erreicht und es tatsächlich geschafft, das Bildungswesen hinsichtlich des Unterrichtens zum Umdenken zu bewegen. Dasselbe Konzept haben wir anschließend dank Fördermittel auch auf Mittelschulen ausgeweitet und wir hätten auch einen Zuschuss für Highschools bekommen, doch der Zuschuss wurde uns gerade zu der Zeit zugesprochen, als Bush Präsident wurde – und er strich alle Bildungszuschüsse. Daher waren wir gezwungen, an Highschools Stück für Stück vorzugehen.

In jenen Workshops wurden den Lehrern eine Ausrüstung mitgegeben, die sie im Klassenzimmer einsetzen und mit ihrem Fachwissen hinterlegen konnten: „Ein Paket drehte sich um die Veranschaulichung des Archimedischen Prinzips. Mit ihm sollen die Schüler Boote mit unterschiedlichen Formen bauen und versuchen, den Zusammenhang zwischen der Form und der Wasserverdrängung festzustellen. Doch für die Lehrer war es noch wichtiger, die Wissenschaft richtig zu verstehen: die spezifische Schwerkraft des Wassers, Verdrängung, Auftriebskräfte… Die meisten Lehrer in den USA verfügen über sehr geringe naturwissenschaftliche Grundlagen, in der Elementarschule haben nur 3-4% der Lehrer eine naturwissenschaftliche Ausbildung irgendeiner Art durchlaufen. Und weil in dieser Stufe für jede Klasse nur ein Lehrer zuständig ist, hatten viele Schüler, bevor wir mit dieser Beratung anfingen, im Großen und Ganzen nie Naturwissenschaftsunterricht erlebt."

Eine andere Stärke des Projekts war, dass die Lehrer als Teil der wissenschaftlichen Gesellschaft und nicht als Outsider angesehen wurden: „Sie fanden es absolut spitze, dass wir sie wie Kollegen behandelten, als einen wichtigen Teil der wissenschaftlichen Gesellschaft mit zwei verschiedene Aufgaben. Erstens, bei Schülern, die das Interesse und die Fähigkeiten dazu haben, das Interesse an Naturwissenschaften zu entfachen und zweitens, noch wichtiger, die Bürger von morgen in Naturwissenschaften zu unterrichten, damit sie in der Gesellschaft einen viel sachlicheren und informations-basierten Blick auf all diese Dinge – seien sie gut oder schlecht – werfen und sie beurteilen können. Dies entfachte wirklich das Interesse der Lehrer an Naturwissenschaften - als Teil eines größeren Gefüges - und dies spiegelte sich in der Art und Weise wieder, wie sie den Kindern Naturwissenschaften unterrichteten.“

Der Erfolg des Projekts ist zu einem großen Teil auf die strategischen Partnerschaften, die geknüpft wurden, zurückzuführen: „ Um dieses Projekt möglich zu machen, mussten wir wirklich eine Menge Geld aufbringen. Daher gingen wir Partnerschaften mit Boeing, Microsoft und vielen anderen Firmen ein und nutzten diese dazu, beträchtliche Mittel für Schulen bereitzustellen. Dies war wirklich ein wichtiger Teil, um ein Modell mit nachweislichem Einfluss zu erschaffen. Und natürlich ist das letztliche Ziel all dieser Programme Nachhaltigkeit: Wir würden gerne die Schulwesen dazu bringen, dass sie selbst beginnen, Mittel in diesen Ansatz zu investieren, sobald sie gesehen haben, wie erfolgreich das bereits Erreichte ist. In manchen Schule Seattles hat dies bereits begonnen."

Hood und sein Team gehen jetzt über den Bundesstaat hinaus, indem sie erstklassige Lehrer und pädagogische Verwaltungskräfte in den Workshops für ihr Konzept begeistern, damit diese Lehrer sich anschließend aufmachen können, um ein solches Umdenken in ihren eigenen Einflussgebieten einzuleiten. „Wir haben sechs richtig super Naturwissenschaftslehrer eingestellt, die dies jetzt hauptberuflich übernehmen. Es handelt sich um Leute, die das wissenschaftliche Fachwissen haben und die wirklich wissen, wie man unterrichtet. Das ist wichtig, denn Leute wie ich kennen sich hervorragend mit den wissenschaftlichen Aspekten aus, mussten sich aber nie wirklich mit der Realität eines Erstklässlers oder High-School-Neulings auseinandersetzen.

„Für eine der Highschools haben wir zum Beispiel ein paar Module errichtet, um Systembiologie zu erklären. In der Systembiologie dreht sich alles um das Verstehen von Netzwerken, daher lassen wir den Lehrer am Anfang ein Netzwerk erstellen von allen Kindern der Klasse, die ein Handy haben und all den Nummern, die sie automatisch wählen können. Und dann setzen sich die Schüler hin und verstehen ‚Oh, es geht um die Verbindungen‘. Und sie verstehen, was passieren würde, wenn man diese Verbindungen unterbrechen würde. Es ist eine sehr einfache Art zu erkennen, dass die Biologie genauso mit Informationen umgeht – und die Schüler verstehen es auf Anhieb."

Was ist denn genau Systembiologie?

„Für mich ist Systembiologie ein Versuch, Biologie eher von einem holistischen, als von einem atomistischen Standpunkt aus zu betrachten. Man kann all die wunderbaren emergierenden Eigenschaften eines Systems nur dann verstehen, wenn man all seine Komponenten und Interaktionen ermittelt und dann betrachtet, wie sie sich in Abhängigkeit von den Stimuli, die das gesamte System aktivieren, dynamisch verändern. Man erstellt ein Modell, welches das System erklären könnte, formuliert dann Hypothesen und testet sie, indem man das System Störungen aussetzt. Anschließend überprüft man, ob die Daten, die man zurückbekommt wirklich mit dem Modell übeeinstimmen. Am Anfang ist das nie der Fall, daher führt man dies einfach zyklisch durch. Man erreicht so nie ein endgültiges Verständnis des Systems, aber die Modelle, die man erhält, erlauben immer mehr Vorhersagen über das Verhalten des Systems.”

Mit freundlicher Genehmigung von enot-poloskun / iStockphoto

Zu Beginn wurde dieser Ansatz aus vielen Bereichen nicht gerade enthusiastisch entgegengenommen.

„Selbst als wir 2000 das Institut für Systembiologie einrichteten (siehe Kasten) , gab es enorme Vorbehalte. Es war genauso wie damals, als die Molekularbiologie in das Gebiet der Biochemie eindrang. Viele Schulen beschlossen, dass Molekularbiologie einfach ein trivialer Neuankömmling sei und sie grenzten ihre Arbeit ab und legten sich darauf fest, nur Biochemie zu betreiben, während andere sich auf das neue Feld begaben. Diejenigen, die den Wechsel mitmachten, sind nun führend in der biologischen Community. Aber dies heißt nicht, dass alte Wissenschaft falsch ist. Biochemie ist wichtig, Molekularbiologie ist wichtig. Jetzt stellen wir fest, dass es wichtig ist, beides in einem umfassenden Ansatz zu betrachten. Man muss mit der Zeit gehen."

Max Delbrück Lizenzfreies Bild; Bildquelle: Wikimedia Commons

Hood kann die Prägung des Begriffs „Systembiologie“ zugeschrieben werden, aber die Kommentare eines Kollegen waren nötig, um ihn zu diesem Ansatz zu bewegen. „Anfang der 1980er befand sich mein Labor direkt neben dem von Max Delbrück [einem deutsch-amerikanischen Biophysiker und Nobelpreisträger (1906-1981)w2], und ich interessierte mich zu jener Zeit sehr für molekulare Immunologie. Max sagte mir mehrfach: ‚Mit nur einem Gen und einem Protein gleichzeitig wirst du nie verstehen, wie Immunologie funktioniert.‘ – Er sagte es nicht wörtlich so, aber das war der Sinn der Aussage. Und ich antwortete ihm: ‚Siehst du, wir enthüllen diese Rätsel um die Diversität der Antikörper, und das ist großartig und grundlegend.‘ Seine Antwort war: ‚Nein, nicht wirklich. Die großen Probleme in der Immunologie sind die Immunantwort, Toleranz, Anti-Immunität. Keines dieser Dinge verstehen wir.‘ Mir wurde klar, dass er Recht hatte und ich begann, darüber nachzudenken – Das war die Zeit, als ich begann, über Systembiologie nachzudenken.

Den Begriff begann ich Ende der 1980er zu verwenden. Ich kann mich nicht mehr daran erinnern, ob wir den Begriff 1990, in The Code of Codes [Der Supercode] verwendeten, aber in dem Buch beschrieb ich genau das, was wir heute Systembiologie nennen würden."

Rückblickend scheinen Hoods erste Kontakte mit der Wissenschaft ihn für ein späteres Interesse an Netzwerken und komplexen Systemen vorherbestimmt zu haben: „Mein Vater war Elektroingenieur und wollte, dass ich auch Ingenieur werde, aber ich mochte das Ingenieurwesen nicht. Er unterrichtete jedoch viel und wollte, dass ich seine Kurse besuchte, und so lernte ich schließlich eine Menge über Schaltkreise und Netzwerke.

Einen weiteren wichtigen Einfluss hatte mein Chemielehrer an der Highschool. Als ich im Abschlussjahr war fragte er mich, ob ich helfen wolle, den Anfänger-Biologiekurs zu unterrichten. Ich sagte, dass ich das machen würde, wenn ich mit dem Scientific American unterrichten dürfte, und er stimmte zu. Das war 1956, und es gab diesen wundervollen Artikel in jener Zeitschrift über die Struktur der DNA, und ich dachte ‚Wow, das ist richtig cool. So was möchte ich später auch mal machen.‘ Andererseits bot mein Großvater ein Geologie-Summercamp für Studierende der Universität in den Beartooth Mountains in Montana an, und ich arbeitete dort und nahm mit den Studierenden an Kursen teil. Dies brachte mich zum ersten Mal mit Wissenschaftlern in Kontakt, und es war wirklich eine unglaublich spannende Angelegenheit. Zu jenem Zeitpunkt zog ich in Betracht, Geologie zu studieren, aber dieser Artikel aus der Scientific American ließ mich schließlich doch zur Biologie umschwenken. Der andere wirklich entscheidende Punkt war der, dass mein Chemielehrer sagte: ‚Der richtige Ort für dich ist das Caltech [Californian Institute for Technology]'. "

Beckman Institut, Caltech Mit freundlicher Genehmigung von Ross Berteig; Bildquelle: Wikimedia Commons

Daher ging Hood ans Caltech^w3 um Wissenschaftler zu werden, und dabei lernte er eine Menge über das Unterrichten.

Richard Feynman Lizenzfreies Bild; Bildquelle: Wikimedia Commons

„Das Caltech war ungeheuer inspirierend für mich. In meinem Anfänger-Physikvorlesung hatte ich Richard Feynman [einen amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger, der zur Entwicklung der Atombombe beitrug (1918-1988)w4] als Dozenten, und als ich feststellte, wie er fast ausschließlich konzeptorientiert unterrichtete, verstand ich, dass dies den Studierenden die Grundlagen gibt, soviel Details wie sie wollen hinzuzufügen, ohne den Überblick über die großen fundamentalen Konzepte zu verlieren. Als ich dann Undergraduate-Studierenden am Caltech unterrichtete, dachte ich mir Spiele für die Studierenden aus, weil sie so lernen, die gelernten Prinzipien in einem ganz anderen Kontext anzuwenden. Für die Immunologie entwickelte ich ein Spiel, in dem die Studierenden einem Elefanten vom Mars analysieren mussten: Ich gab ihnen eine Menge experimenteller Daten darüber, wie der Elefant vom Mars auf Infektionsursachen und so weiter reagierte, und sie mussten mit Hilfe grundlegender Prinzipien die Grundmechanismen der Antikörper-Diversität auf dem Mars ableiten, welche ganz verschieden von denen auf der Erde waren.

Studierende lieben solche Aufgaben. Manche schrieben mir 20 oder 40 Jahre später um mir mitzuteilen, dass sie diese Spiele nie vergessen haben. Genauso kann man Computerspiele verwenden und sie auf richtig interessante Weise mit Informationen über Biologie spicken."

Welches Thema würde Hood wohl wählen, wenn er ein Buch über das Highlight seiner Karriere schreiben sollte? Hoods Antwort ist vielleicht nicht überraschend für jemanden, der sein Leben damit verbracht hat, neue Ansätze für die Wissenschaft, die Lehre und die Medizin zu schaffen und zu fördern: Er würde darüber schreiben, wie man Dinge verändert.

„Ich weiß viel darüber, wie man Sachen verändern kann – ich habe unzählige Erfahrungen gemacht und jedes Mal musste ich es anders angehen. Während meiner Zeit am Caltech war und auch danach entwickelten wir zum Beispiel all diese Geräte. Dafür musste ich die Firma Applied Biosystems ins Leben rufen, die all die Geräte vermarktete. Als ich dann versuchte, eine neue interdisziplinäres Biologie-Abteilung am Caltech zu gründen, wehrten sich die Biologen, also musste ich stattdessen an die Universität Washington gehen und mit Bill Gates Hilfe eine neue Abteilung aufbauen. Und dann das Institut für Systembiologie^w5 – ich versuchte, dies an der Universität durchzusetzen, doch es war nicht möglich, also bin ich einfach gegangen und habe es aufgebaut – und das war das Beste, was ich je getan habe - denn können Sie sich jemanden von der Universität vorstellen, der eine Vereinbarung mit der luxemburgischen Regierung trifft? Es würde in einer Milliarde Jahre nicht vorkommen! Ich denke, diese ganze Neugründung ist wirklich eine der interessantesten Erfahrungen gewesen. Wissenschaft war großartig und ich liebe sie immer noch, aber ich liebe es auch, die Wissenschaft in Gang zu bringen."

Was schließlich ist der Antrieb für diese Beharrlichkeit, diese Hartnäckigkeit gegen den Strom zu schwimmen? Laut Hood, eine Mischung aus kleinstädtischer Dickköpfigkeit und Zuversicht. „Ich glaube es liegt daran, dass ich in Montana aufgewachsen bin. Es war klein und ländlich, und es herrschte die Einstellung ‚Du kannst tun, was du willst‘. Und dann gehört einfach eine Menge Zuversicht dazu. Wenn du über etwas nachdenkst und wirklich glaubst, dass du richtig liegst, mach dir keine Sorgen über Skeptiker, setze es einfach in die Tat um. Meine Karriere bestand nur aus diesem natürlichen Evolutionsprozess. Ich kann nicht behaupten, dass ich 1980 irgendwelche Langzeitpläne hatte, aber in jeder Etappe wusste ich, wo ich als nächstes wollte, und das brachte mich immer zum nächsten Schritt. Und natürlich hilft es immer, erfolgreich zu sein. Das schadet nie.”

Die Beartooth Mountains, Montana Mit freundlicher Genehmigung von Jason Maehl / iStockphoto

Leroy Hood

Das Institute for Systems Biology, vom Lake Union aus gesehen Mit freundlicher Genehmigung von Eben Calhoun; Bildquelle: Wikimedia Commons

Dr. Leroy Hood ist ein amerikanischer Wissenschaftler, der sich für Immunologie, Biotechnologie und Genetik interessiert. Im Mittelpunkt seiner Karriere steht jedoch die Innovation. Seine Karriere startete am Caltechw3, wo er als einer der ersten mit Instrumenten wie DNA-Scannern arbeitete, welche die Genetik revolutionierten, indem sie die schnelle automatische Sequenzierung von DNA ermöglichen und die eine entscheidende Rolle bei Sequenzierung des menschlichen Genoms einnahmen. Später gründete er das interdisziplinäre Institut Department of Molecular Biotechnology [Institut für Molekularbiologie] an der Universität Washington, und weiterhin war er Mitbegründer des Institutes for Systems Biologyw5 [Institut für Systembiologie] in Seattle, Washington, um Pionierarbeit mit Systemansätzen für die Biologie und Medizin zu leisten. Momentan bahnt Hood den Weg für die „Systemmedizin“ und den systematischen Ansatz zu Krankheiten. Unlängst schloss er eine Partnerschaft mit der Luxemburgischen Regierung, von der er sich die Gründung einer Demonstrationsklinik für einen innovativen Ansatz zur Medizin verspricht. Hood hat über 600 Publikationen veröffentlicht, die ein „Peer-reviewing“ unterlaufen haben, 14 Patente erhalten, hat an Lehrbüchern zur Biochemie, Immunologie, Molekularbiologie, Genetik mitgewirkt und schließt momentan seine Lehrbuch zur Systembiologie ab. Außerdem verfasste er zusammen mit Dan Kelves ein populärwissenschaftliches Buch über das Human Genome Project, The Code of Codes, [Der Supercode].

Referenzen

Kevles DJ, Hood L (1990) The Code of Codes. Scientific and Social Issues in the Human Genome Project. Harvard, US: Harvard University Press

Internet-Referenzen

w1 – Mehr über die Partnerschaft für forschungsorientierte Wissenschaft in Seattle und ihre Entwicklung ist hier zu finden: www.systemsbiology.org/Center_for_Inquiry_Science/History_and_Accomplishments

w2 – Mehr über den Nobelpreisträger Max Delbrück: http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1969/delbruck-bio.html

w3 – Die Webseite des Caltech (Californian Institute for Technology) ist folgende: www.caltech.edu

w4 – Um mehr über den Nobelpreisträger Richard Feynman zu lernen, siehe:

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/feynman-bio.html
and
www.feynmanonline.com

w5 – Die Webseite des Instituts für Systembiologie ist: www.systemsbiology.org

Quellen

Eine Einfürung in die Systembiologie und ihren möglichen Stellenwert im Unterricht ist zu finden in:
Grivell L (2009) Systems biology in the classroom? Science in School 11: 64-69. www.scienceinschool.org/2009/issue11/systemsbiology