Biologia systemowa w szkole?

Jeżeli wpiszesz hasło „biologia systemowa” w okno wyszukiwania głównej bazy danych literatury biomedycznej PubMed^w1 i ograniczysz wynik, do któregokolwiek roku przed 2000 to twoje zapytanie zwróci tylko kilka trafień. Zrób jednak to samo dla roku 2008, a wynikiem będą linki do kilkuset publikacji związanych z tą dynamicznie rozwijająca się dziedziną biologii. Wykonaj podobne wyszukiwanie używając Google i porównaj wynik (około 36,9 miliona trafień) z dziedzinami takimi jak fizyka wysokich energii (około 11,4 miliona trafień) czy inżynieria lotnicza (około 2,5 miliona trafień).

Zakładając, że w każdym z tych wypadków liczba trafień odzwierciedla aktywność badawczą w danej dziedzinie, biologia systemowa jest naprawdę bardzo aktywnym dzieckiem.

Ale co to jest?

Cynicy mogą odpowiedzieć, że „biologia systemowa” to tylko kolejny slogan – kolejny sposób naukowców na zdobywanie nowych funduszy. Fizjologowie mogą powiedzieć, że to nic nowego, po prostu robienie dokładnie tego samego do czego oni dążyli, tyle że przy pomocy zaawansowanych technologii. Biolodzy systemowi sami o sobie powiedzą, że to jest radykalnie nowy sposób myślenia o biologii. Zamiast badania i charakteryzowania izolowanych części komórki lub organizmu, tak jak to przez wiele lat robili biochemicy czy biologowie molekularni, biolodzy systemowi skupiają się na całym systemie.

Popatrzmy na przykład na radio jako analogię: radio zamienia fale elektryczne na fale radiowe, ale nie wiemy dokładnie jak się to dzieje. Biolog molekularny rozłoży radio na części, a biolog systemowy postara się zrozumieć jak te części współpracują razem by spełniać swoje funkcje.

Rozważmy, dla przykładu zdolność bakterii do wykrywania źródła składników odżywczych i płynięcia w ich kierunku, czyli tzw. chemotaksję. Biolog molekularny będzie starał się scharakteryzować indywidualne składniki maszynerii potrzebnej do chemotaksji i jak działa każdy z nich – poprzez oczyszczanie ich i kodujących ich genów oraz studiowanie wpływu mutacji na każdy poszczególny składnik. Biolog systemowy, natomiast, chce zrozumieć jak to skomplikowane pływanie i koziołkowanie komórek^w2 jest kontrolowane – poprzez patrzenie na działanie i wzajemne oddziaływanie tak wielu składników systemu jak to tylko możliwe. Dlatego też biolodzy systemowi mogą badać wszystko począwszy od pierwszego kontaktu ze składnikami odżywczymi odpowiednich receptorów bakteryjnych, poprzez szlak przekazu sygnału, aż do mechanizmu który kontroluje rotacje bakteryjnego organu ruchowego – witki.

Według Leroya Hooda, założyciela pierwszego na świecie Instytutu Biologii Systemowej (Institute for Systems Biology)^w3 w Seattle (USA), biologia systemowa może być zdefiniowana przez 6 głównych kryteriów:

1. Pomiary globalne: naukowcy mierzą dynamiczne zmiany wszystkich genów, mRNA i białek jednocześnie, zamiast pomiarów indywidualnych genów, mRNA i białek.
2. Integracja różnych typów danych: informacje o DNA, RNA białkach i ich oddziaływaniach są komputerowo i matematycznie integrowane.
3. Pomiary dynamiczne zamiast statycznych: na przekroju różnic rozwojowych, fizjologicznych, zmian chorobowych bądź środowiskowych.
4. Kierunek badań jest wyznaczany równocześnie przez zarówno odkrycia jak i hipotezy.
5. Wykonane pomiary są raczej ilościowe niż tylko jakościowe (chcesz wiedzieć ile razy więcej białka jest produkowane, a nie tylko że jest go więcej).
6. Interaktywny cykl danych: dane → model → prognoza → weryfikacja → modyfikacja → dane.

Na poziomie molekularnym, biologia systemowa często wykorzystuje technologie o wysokiej przepustowości takie jak sekwencjonowanie dużych ilości DNA, analizy RNA, białek i metabolitów na przekroju całej komórki lub tkanki, aby stworzyć wyczerpujący zbiór danych, które charakteryzują obiekt badawczy. Sposoby, w jakie ekspresja genów lub metabolitów zmieniają się w czasie, albo w odpowiedzi na mutacje genetyczne i/lub bodźce ze środowiska, są następnie wykorzystywane do konstruowania modeli komputerowych, które są w stanie przewidzieć zachowanie, a co za tym idzie lepiej zrozumieć molekularne podstawy i strategie, które leżą u podstaw tych zmian.

Położenie nacisku na system jako całość jest bardzo istotne, ponieważ zaznacza to odejście od podejścia redukcjonistycznego w nauce, które ma początek we wczesnych badaniach biochemicznych na izolowanych enzymach pod koniec XIX wieku i w pierwszej połowie XX wieku (Cornish-Bowden & Cárdenas, 2005). Podejście redukcjonistyczne było konieczne w tamtym okresie: postęp naukowy mógł zostać osiągnięty poprzez izolację i badania właściwości i zachowania indywidualnych składników komórek. Jednakże obecnie coraz pewniejszy wydaje się fakt, że zachowanie pojedynczej komórki albo populacji komórek jest wynikiem kompleksowej mieszaniny oddziaływań, które zwrotnie oddziałują na wyższe poziomy organizacji oraz na poszczególne cząsteczki albo ich kompleksy w komórkach.

Dobrym przykładem tego rodzaju skomplikowania są badania biologii systemowej, które doprowadziły do pierwszego modelu ludzkiego organu – wirtualnego serca^w4 (Noble, 2007). W tym wypadku, studia biofizyczne i biochemiczne na poszczególnych kanałach jonowych w komórkach serca zaowocowały powstaniem pierwszych modeli zachowania pojedynczych komórek. Następnie połączono je w modele dwu- i trójwymiarowych tkanek w przedsionku i komorze serca, i w końcu sporządzono symulacje elektrycznej i mechanicznej pracy bijącego serca jako organu, w którym każda komórka odgrywa swoja rolę we współpracy z sąsiadami.

Wyniki wyszukiwania w bazie danych PubMed wspomniane wcześniej mogą sprawić wrażenie, że biologia systemowa pojawiła się nagle gdzieś pomiędzy rokiem 1999 a 2000 i gwałtownie rozwinęła. W rzeczywistości biologia systemowa istniała w tej czy innej formie przez dużo dłuższy czas i pod innymi etykietkami. Przytoczeni już fizjologowie mogą być uznawani za prekursorów tej dziedziny, ponieważ fizjologia definiowana jest jako „studia organizmów żywych i ich części” i podobnie jak biologia systemowa jest nauką, która łączy poszczególne elementy systemu. (Strange, 2005).

Co w takim razie mogą nam powiedzieć biologowie systemowi? Ostatecznie ten dział nauki pozwala na zrozumienie funkcjonowania systemu, którym jesteśmy zainteresowani: niezależnie czy jest to prosta sieć zależności oddziałujących ze sobą cząsteczek, komórka, tkanka, czy też cały organ.

Cheong and Levchenko (2008) zanalizowali ostatnie dane zebrane na temat szlaku NF-kappaB, na poziomie indywidualnych komórek. Ten molekularny szlak przekazu sygnału jest szeroko wykorzystywany przez komórki w trakcie odpowiedzi zapalnej na infekcję. Na przestrzeni ubiegłych paru dekad, pokaźny zasób danych został zebrany na temat poszczególnych składników tego sytemu, ale dopiero teraz biologowie systemowi mogli zebrać je w ilościowe modele komputerowe całego szlaku w komórce. Następnie prognozy teoretyczne były testowane eksperymentalnie by potwierdzić założenia modelu. Wyniki, doprowadziły do znakomitego wglądu w skomplikowany mechanizm, który komórki wykorzystują w walce z infekcja. Ta wiedza w końcu pomoże nam zrozumieć dlaczego osoby różnią się w reakcjach zapalnych i powinna pozwolić na rozwój bardziej efektywnego leczenia.

Na poziomie całego ludzkiego organizmu, Nicholson (2006) proponuje systemowe podejście do metabolizmu, uwzględniające jelitową florę bakteryjną. Metabolizm komórkowy w bardzo dużym stopniu przypomina grę losową, w której metabolity albo leki oddziałują z enzymami i innymi cząsteczkami w losowy sposób. Te interakcje mogą skutkować wieloma rezultatami, a niektóre z nich mogą powodować zniszczenie komórek. Tak jest tylko w przypadku jednej komórki – a trzeba sobie wyobrazić jak trudno jest przewidzieć stan metaboliczny całego ludzkiego organizmu. Tylko studia i modelowanie matematyczne systemu jako całości mogą pozwolić na zrozumienie skomplikowanych odpowiedzi organizmu i pomóc w rozwoju terapii, które są dostosowane do stanu systemu konkretnego osobnika.

Czy biologia systemowa powinna być uwzględniona w programie szkolnym? Moim zdaniem – tak. Nie mam przez to na myśli, że uczniowie powinni mieć dostęp do laboratoriów oferujących eksperymenty z proteomiki lub na mikromierzach. Raczej uważam, że powinni się spotkać z pewnymi podstawowymi zasadami biologii systemowej, a ponad wszystko, że powinni zdawać sobie sprawę z ograniczeń podejścia redukcjonistycznego, które dominowało w badaniach biologicznych przez tak długi czas.

Zaczynając od takich pytań jak: „Co to jest gen?”, „Jak dużo potrzeba genów by stworzyć minimalny samo-wystarczający organizm?” i „Jak można zbudować biologiczny zegar?” możliwe jest wprowadzenie typowych zagadnień biologii systemowej. Są to na przykład: nieliniowość systemów biologicznych, szerokie ale jakże ważne pojęcie podkreślające, że wiele metabolicznych i sygnałowych szlaków w komórkach jest zorganizowanych w cykle. W komórkach obecne są ujemne i dodatnie sprzężenia zwrotne i bardzo często oddziałują one wzajemnie ze sobą. Zresztą stosunek między wkładem w proces biologiczny a jego rezultatem jest często nieliniowy. Więc bardzo trudno jest przewidzieć jaki wpływ na cały szlak będzie miała modyfikacja aktywności jednego z jego składników.

Modułowość jest kolejnym ważnym pojęciem: systemy biologiczne są skomplikowane, ale mogą być rozpatrywane jako sieci złożone z mniejszych i prostszych jednostek (modułów), które spełniają określone funkcje. Kolejnymi centralnymi pojęciami charakteryzującymi system są: wytrzymałość (ciągłe pełnienie funkcji pomimo perturbacji genetycznych i środowiskowych) oraz zdolność do ewolucji, czyli potencjał zmian.

Międzynarodowy konkurs Genetically Engineered Machine (iGEM)^w5 stawia wyzwanie przed studentami uniwersytetów by zastosowali zasady biologii systemowej w praktyce, poprzez projektowanie i wykorzystanie znormalizowanych składników biologicznych. Wykaz tych składników^w6 jest fascynującym źródłem internetowym, które uzmysławia, że biologia systemowa i syntetyczna mogą być także dobra zabawą. Obok intrygującego BacteriO’Clock^w7 – prostej probówki zawierającej zmodyfikowane bakterie, które zmieniają kolor zależnie od pory dnia (zespół z Paryża), obecne projekty zespołów iGEM obejmują także inżynierię bakterii Lactobacillus, do produkcji jogurtu, który może czyścić zęby^w8 (zespół z MIT), bakteryjny bio-czujnik który może być zintegrowany z obwodem elektrycznym^w9 (zespół z Harwardu) i komórki E. coli, które świecą, kiedy wykrywają patogenne bakterie w wodzie pitnej (zespół z Sheffield).

Ostatecznie, przyszłe pokolenia muszą być świadome ogromnych możliwości w rozwiązywaniu intrygujących, a jednocześnie mających najwyższe znaczenie dla społeczeństwa problemów dotyczących życia. Biologia systemowa, potrzebuje biologów systemowych i stwarza prawdziwe zapotrzebowanie na naukowców w dyscyplinach takich jak fizyka, informatyka i biologia, by współpracowali dla rozwoju tej dziedziny do momentu, w którym zacznie ona przynosić korzyści całemu społeczeństwu.

Podziękowania

Jestem bardzo wdzięczny dr Thomasowi Lembergerowi (EMBO) za komentarze do tego artykułu, jak również wiele dyskusji na temat biologii systemowej.