¿Biología de sistemas en el aula? Understand article

La biología de sistemas es una de las áreas de mayor crecimiento en ciencias de la vida ¿Qué aborda? Aún más ¿es de interés en una clase? Les Grivell de la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO) en Heidelberg, Alemania, reflexiona.

Cuando escribes la frase «biología de sistemas» en el cuadro de búsqueda de las principales bases de datos de bibliografía biomédica PubMedw1 y restringes la salida a un cualquier año antes del 2000, la consulta devolverá unas cuantas citas. Haced lo mismo en 2008 y, obtendréis enlaces a varios cientos de publicaciones. Plantead el mismo tipo de búsqueda en Google y comparad el resultado (en torno al 36,9 millones de accesos) con los obtenidos para búsquedasen física de alta energía (alrededor de 11,4 millones de accesos) o ingeniería aeroespacial (alrededor de 2,5 millones de visitas). Si el número de visitas reflejase el nivel de actividad en lasrespectivas áreas, la biología de sistemas parecería una novedad atractiva.

Pero ¿en qué consiste?

Circuitos electrónicos en un
tubo de vacío de una radio

Imagen cortesía de Ermin
Gutenberger/iStockphoto

Los cínicos contestaríanque «biología de sistemas» es sólo otra palabra de moda – una forma más para que los investigadores puedan beneficiarse de nuevas fuentes de financiación. Los fisiólogos apuntaríanque no es relevante, sólo otra innovación de alta tecnología para hacer lo que siempre han hecho o han intentado hacer. Los biólogos de sistemas afirmarán que se trata de una forma radicalmente diferente de pensar en biología. En lugar de caracterizar partes aisladas de una célula u organismo, como la bioquímica y la biología molecular han hecho durante años, este nuevo enfoque sería global.

Proponemos la analogía de la radio: una radio transforma las ondas eléctricas en ondas sonoras, pero no sabemos exactamente cómo. Si la biología molecular “diseccionó” la radio para identificar sus componentes, la biología de sistemas intenta entender el trabajo coordinado de las partes para su función.

Ahora consideremos, por ejemplo, la capacidad de las bacterias para detectar y nadar en la dirección de una fuente de nutrientes (quimiotaxis). El biólogo molecular describirálos elementos individuales en la maquinaria de la quimiotaxis y su actuación –por purificación de los mismos y análisis de sus genes codificantes. Sin embargo, el biólogo de sistemas quiere entender cómo se controlan los movimientos de natacióny giro de las célulasw2 – observando las interacciones de tantos componentes en el sistema como sea posible. Los biólogos de sistemas, por tanto, realizan un estudio completo, desde el primer contacto entre los nutrientes y receptores bacterianos específicos, vía de transducción de señalhasta el mecanismo que controla la rotación del motor de propulsión bacteriana – su flagelo.

las células de Escherichia coli
utilizan estructuras largas y
finas o flagelos para
impulsarse. Los flagelos
forman asociaciones que giran
en sentido contrario a las agujas
del reloj, creando una fuerza que
impulsa el giro de la bacteria en
el otro sentido

Imagen cortesía de Nicolle Rager
Fuller, National Science Foundation;
Origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Según Leroy Hood, el fundador del primer instituto del mundo dedicado a la Biología de Sistemasw3 en Seattle, EE.UU, la biología de sistemas aporta seis puntos básicas:

  1. Mediciones globales, midiendo cambios dinámicos en todos los genes, ARNm y proteínas, en lugar de genes, ARNm o proteínas individuales.
  2. Integración de tipos de datos (información sobre ADN, ARN, proteínas y sus interacciones) mediante operaciones matemáticasy procesos computacionales.
  3. Mediciones dinámicas y no estáticas en diferentes situaciones de desarrollo, fisiología, patología y ambiente.
  4. La investigación se basa en hallazgo e hipótesis, y no sólo en una de estas aproximaciones.
  5. Las medidas realizadas son cuantitativas más que cualitativas: se cuantifica el aumento de proteína en lugar de sólo apreciar el incremento.
  6. Un ciclo interactivo de datos: datos → modelo → predicción → verificación → modificación → datos.

A nivel molecular, la biología de sistemas a menudo emplea tecnologías de alto rendimiento como secuenciación masiva de ADN, análisis de ARN, proteínas y metabolitos en células o tejidos para ensamblar datos que caracterizan el sistema en estudio. Las variaciones en la expresión del gen o contenido de metabolitos en el tiempo o en respuesta a mutaciones genéticas y / o estímulos del entorno, permiten construir modelos computacionales que podrán predecir comportamientos y, por tanto, una mejor comprensión de los principios y estrategias moleculares subyacentes a tales cambios.Este enfoque global es muy significativo, ya que revierte el esquema reduccionista iniciado con estudios bioquímicos tempranos sobre enzimas aisladas a finales del siglo 19 y la primera mitad del siglo 20 (Cornish-Bowden & Cárdenas, 2005). El enfoque reduccionista era necesario en ese período: se habría avanzado poco sin aislar y estudiar propiedades y comportamiento de los componentes individuales de las células. Sin embargo, cada vez resulta más evidente que el comportamiento de una sola célula o población celular deriva de un mapa complejo de interacciones tanto hacia mayores niveles de organización como hacia moléculas individuales o complejos subcelulares.

Imagen cortesía de Sebastian
Kaulitzki/iStockphoto

Un buen ejemplo de este tipo de complejidad son los estudios de la biología de sistemas que han llevado a los primeros modelos de un órgano humano – el corazón virtualw4 (Noble, 2007). Aquí, los estudios biofísicos y bioquímicos sobre canales iónicos específicos en las células del corazón condujeron, primero, a modelos de comportamiento en células individuales, a continuación, a modelos de enlaces de dos y tres dimensiones en el atrio y ventrículo, y, finalmente, a la simulación del comportamiento eléctrico y mecánico del corazón que late como un órgano completo, donde cada célula cumple un papel específico coordinadamentecon otras células.

Los resultados de las búsquedas en PubMed mencionadas antes sugerirían que la biología de sistemas irrumpió en algún momento entre 1999 y 2000, desarrollándose rápidamente. En realidad, la biología de sistemas ha existido de una forma u otra durante mucho más tiempo y bajo diferentes etiquetas. Los fisiólogos citados anteriormente, con una buena justificación, podrían considerarse precursores, ya que la fisiología se define como «estudio de los organismos vivos y sus partes» y por lo tanto es, como la biología de sistemas per se, integradora (Strange, 2005).

Entonces ¿qué puede decirnos la biología de sistemas? Este tipo de investigación permite una buena comprensión del sistema en estudio: cascada de moléculas, una célula, un tejido o un órgano.

A nivel de célula individual, Cheong and Levchenko (2008) analizan datos recientes recopilados para la ruta de NF-kappaB. Esta cascada de señalización molecular es utilizada por células en respuesta inflamatoria a infección. Una gran cantidad de estos datos se habían recogido en las últimas décadas; ahora los biólogos de sistemas modelizan la cascada para, luego, validar experimentalmente cualquier predicción. Estos resultados han permitido el esclarecimiento de los mecanismos moleculares que detectan y combaten la infección. Con el tiempo esta información ayudará a entender por qué las personas difieren en sus respuestas inflamatorias con el fin de aplicar un tratamiento eficaz.

A nivel de todo el cuerpo humano, Nicholson (2006) propone el enfoque sistémico para el metabolismo, incluyendo la flora intestinal. El metabolismo celular es mucho más que un juego de azar donde metabolitos o drogas interactúan con enzimas y otras moléculas de forma aleatoria. Estas interacciones pueden provocar muchos resultados, algunos de ellos lesivos. Y esto es sólo para una célula -¡ imaginad lo complejo que es predecir el estado metabólico de la totalidad de un ser humano! Con el estudio y elaboración de modelos matemáticos globales podemos entender la complejidad de este tipo de respuestas y, desarrollar terapias adaptadas al estado particular de un individuo.

¿Sería aconsejable incluir la biología de sistemas en el curriculum escolar? En mi opinión – sí. Con esto no quiero decir que los estudiantes necesiten acceder a servicios de proteómica o microarrayssofisticados. Más bien, creo que es importante una toma de contacto con sus principios básicos, y, sobre todo, que conozcan las limitaciones de los enfoques reduccionistas predominantes en la investigación biológica durante tanto tiempo.

A partir de preguntas como “¿qué es un gen?», «¿cuántos genes se necesitan para hacer un organismo autónomo? y»¿cómo puedo construir un reloj biológico?», podemos introducir conceptos como, la no linealidad de los sistemas biológicos, una nota amplia e importante: muchos rutas metabólicas y vías de señalización están organizados de manera cíclica; hay ciclos de retroalimentación positiva y negativa dentro de una célula, que, con frecuencia no interactúan entre sí a varios niveles. Además, las relaciones entre una entrada y una salida en un proceso biológico no son lineales. Por lo tanto, es muy difícil predecir qué sucederá si ajustas un componente de una ruta para que sea más o menos activo y, el efecto de este ajuste sobre otros componentes.

las vías de transducción de señal en una célula.
Imagen de dominio público; Origen de la imagen: Wikimedia Commons

La modularidad es otro concepto importante: es decir, los sistemas biológicos son complejos, pero pueden ser considerados como redes de unidades más pequeñas y más simples (módulos) con funciones definidas. Otros aspectos a destacar son robustez (mantenimiento de la función aún con perturbaciones genéticas o ambientales) y su capacidad de evolución (potencial de cambio).

La competición internal Genetically Engineered Machine (iGEM)w5 desafía a estudiantes universitarios para poner en práctica varios de estos principios a través del diseño y el uso de componentes estandarizados y biológicos. El repertorio de estos componentesw6 es un recurso web fascinante que muestra que los sistemas y la biología sintética es divertida! Además del intrigante BacteriO’Clockw7 – un tubo de ensayo simple con bacterias modificadas que cambian de color según la hora del día (equipo Paris) –otros proyectos actuales de iGEM incluyen ingeniería de Lactobacillus para producir yogur que limpia los dientes w8 (equipo MIT), un biosensor bacteriano que puede ser integrado directamente en un circuito eléctricow9 (equipo Harvard) y, una célula de E. coli que se ilumina cuando detecta bacterias patógenas en el agua potable (equipo de Sheffield).

Para terminar, las nuevas generaciones tienen que ser conscientes de las oportunidades para afrontar problemas de alto impacto social. La biología de sistemas requiere biólogos de sistemas y cooperación multidisciplinar (física, informática, biología) para iniciar una etapa centrada en un mejor retorno de resultados a la sociedad.

Agradecimientos

Al Dr. Thomas Lemberger (EMBO) por sus comentarios sobre este artículo y discusiones sobre la biología de sistemas.

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References

  • 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.

Web References

Resources

  • En una visión histórica detallada de la evolución de la biología de sistemas, Westerhoff y Palsson (2004) muestran cómo el enfoque fue progresando desde ideas sobre auto-organización molecular y celular al modelado y análisis cuantitativo de redes metabólicas. Estas tentativas a pequeña escala constituyeron precedentes importantes para el desarrollo actual de la biología de sistemas.
  • Westerhoff HV, Palsson BO (2004) The evolution of molecular biology into systems biology. Nature Biotechnology 22: 1249-1252.Blog ¿Qué es la biología de sistemas? En http://blog-msb.embo.org/blog/2007/07/what_is_systems_biology_3.html

  • Para una revisión sobre otra especialidad innovadora en biología- cristalografía proteica- ver:Cornuéjols D (2009) Biological crystals: at the interface between physics, chemistry and biology. Science in School 11: 70-76. www.scienceinschool.org/2009/issue11/crystallography

Author(s)

Les Grivell es biólogo molecular. Antes de unirse a EMBO, la Organización Europea de Biología Molecular, dirigió un laboratorio de investigación en la Universidad de Amsterdam, con líneas de trabajo en genética de levadura, genómica y bioenergética. En EMBO coordinó una red europea de investigación para la búsqueda e integración de información sobre literatura científica,partiendo de datos bioinformáticos generados en biología molecular. En la actualidad es director de publicaciones de EMBO y editor asociado de la revista Molecular Systems Biology.


Review

La fisiología considera el funcionamiento de los sistemas biológicos. Este artículo explica cómo el enfoque molecular permite dilucidar el funcionamiento de células o sistemas más complejos. Se aconseja ver el modelo de corazón virtual en el sitio web citado. La página web del concurso iGEM suscita interés sobre nuevas aplicaciones de la ingeniería genética y la biología de sistemas para estimular la generación de ideas y el debate en clase.

Este artículo puede ser un complemento al estudiar los siguientes contenidos:

  • Estructura y función del corazón
  • Ingeniería genética: aplicaciones sociales, éticas y comerciales (de productos como el yogur limpieza de los dientes!)
  • Fisiología: integración de sistemas.

Posibles preguntas de comprensión:

  • ¿Cuál es el propósito de la biología de sistemas?
  • Indicad qué se entiende por cascada de señalización molecular.
  • ¿Las personas presentan las mismas respuestas inflamatorias?
  • Explicar cómo la biología de sistemas puede ser útil para predecir la respuesta individual a una terapia farmacológica.

Shelley Goodman, Reino Unido




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