Systembiologie: Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile
Ein Zellorganell, die ZelleZelle
Die Zelle ist die kleinste Einheit eines Organismus. Lebewesen können aus einer einzigen Zelle (Einzeller) bestehen oder sind aus vielen verschiedenen hochspezialisierten Zellen (Vielzeller) aufgebaut.
, das Gewebe, ein Organ oder der gesamte Organismus – sie werden erst durch das komplexe Zusammenspiel vieler Moleküle lebendig. Diese Komponenten in ihrer Gesamtheit zu verstehen, ist die Aufgabe der Systembiologie. Das Verständnis, wann welche Faktoren innerhalb einer biologischen Einheit zusammenwirken, vollzieht sich dabei über mehrere Ebenen, von der Genomik über die ProteomikProteomik
Vergleichende, umfassende Analysen von Proteinbeständen von Organismen, Organen, Geweben oder Zellen.
bis hin zur Metabolomik. Aber auch wenn alle quantitativen Messungen im Labor abgeschlossen sind, ist es bis zum Verständnis komplexer Lebensvorgänge noch weit. Erst mithilfe der Mathematik und der (Bio-)Informatik können am Computer Modelle entstehen, durch die Abläufe und Wechselwirkungen sichtbar und nachvollziehbar werden.
Wie geht die Systembiologie vor?
- Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland bündeln ihre Kräfte in der Systembiologie.
Der interdisziplinäre Forschungsansatz Systembiologie soll helfen, experimentelle und theoretische Erkenntnisse in einem Modell zu vereinen, Prozesse zu simulieren und darauf aufbauend auch Vorhersagen zu ermöglichen. Molekularbiologen, Mediziner oder Biochemiker übernehmen dabei die Erzeugung der experimentellen Daten: Welche Gene sind wann in einer ZelleZelle
Die Zelle ist die kleinste Einheit eines Organismus. Lebewesen können aus einer einzigen Zelle (Einzeller) bestehen oder sind aus vielen verschiedenen hochspezialisierten Zellen (Vielzeller) aufgebaut.
aktiv? Welche mRNA-TranskriptemRNA-Transkripte
Boten-RNA (messenger RNA), Ribonukleinsäure, die von einer DNA als Matrize umgeschrieben (transkribiert ) wird. Die mRNA ist damit die Kopie eines zu einem Gen gehörigen Teilabschnitts der DNA und enthält die Information für die Aminosäuresequenz eines Proteins.
und ProteineProteine
Makromolekül aus kovalent verknüpften Amniosäureresten (ugs. „Eiweiß“). Proteine zählen in allen lebenden Zellen zu den wichtigen Funktionsträgern zellulärer und anderer physiologischer Prozesse, indem sie Stoffe transportieren, Ionen pumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen. Aufgebaut sind Proteine aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel.
sind zu einem Zeitpunkt vorhanden? In welcher Konzentration liegt ein Molekül in einem Zellkompartiment vor? Welche Transport- und Signalwege laufen in der ZelleZelle
Die Zelle ist die kleinste Einheit eines Organismus. Lebewesen können aus einer einzigen Zelle (Einzeller) bestehen oder sind aus vielen verschiedenen hochspezialisierten Zellen (Vielzeller) aufgebaut.
ab? Liegen diese Daten für die einzelnen Zelltypen eines Gewebes vor, können Vorgänge innerhalb des Gewebes und in der nächsthöheren Ebene innerhalb eines Organs modelliert werden usw.
Diese Daten möglichst präzise zu erfassen, erfordert Messsysteme, die immer höheren Ansprüchen genügen müssen. Dabei werden im Labor elektrophoretische und chromatografische Trennverfahren und hochauflösende Messmethoden wie die Echtzeit-PCREchtzeit-PCR
Die PCR (Polymerase Chain Reaction), Polymerase-Kettenreaktion, ist ein Verfahren zur Vervielfältigung einzelner DNA-Abschnitte.
, Massenspektrometrie sowie DNA-DNA-
DNA (engl. Abk. für Desoxyribonukleinsäure) ist die Trägerin der Erbinformation und enthält in Form von Genen die Bauanleitungen für Ribonukleinsäuren (RNA) und Proteine, die für die Regulation aller biologischen Prozesse in der Zelle notwendig sind. Die DNA wird aus einer doppelsträngigen Nukleinsäure gebildet, die strickleiterartig in Form einer Doppelhelix organisiert und aus Nukleotiden aufgebaut ist. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker (Desoxyribose), einem Phosphatrest und einer von vier organischen Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.
und Proteinchips eingesetzt. Je genauer die Messung, desto besser gelingt die Modellierung und umgekehrt. Aufgabe der Theoretiker ist es, im nächsten Schritt die experimentellen Daten in mathematische Formeln ‒ vorwiegend Differentialgleichungen ‒ einzubinden und so mit Rückkopplungen und Regeln Computermodelle zu erzeugen. Aus den immensen Datenmengen, die im Labor (in vitroin vitro
Prozesse oder Experimente, die „im Reagenzglas“ (lat. in vitro) durchgeführt werden.
und in vivoin vivo
Prozesse oder Experimente, die im lebenden (lat. in vivo) Organismus oder in der lebenden Zelle durchgeführt werden oder ablaufen.
) entstanden sind, lassen sich dann realitätsnahe Hypothesen formulieren, die mathematisch modelliert und mithilfe der Computersimulation (in silicoin silico
Mit diesem Begriff werden Experimente beschrieben, die mit Hilfe von Computermodellen (in silicium) durchgeführt werden.
) überprüft werden können.
Mit dem umfangreichen Verständnis eines Organs, beispielsweise der Leber, sind große Erwartungen für die Entwicklung neuer Therapien verbunden, aber auch Erkenntnisse darüber wie sich Krankheiten entwickeln oder Zellen entarten. Auch die biotechnologische Forschung profitiert von diesen umfangreichen Analysen. So lassen sich anhand von Simulationen die Syntheseverfahren zur Gewinnung von Feinchemikalien oder Fermentationsprozesse optimieren.
Systembiologische Forschung in Deutschland
Aufgrund des enormen Innovationspotentials genießt die Systembiologie innerhalb der Hightech-Strategie der Bundesregierung einen hohen Stellenwert. Im Juni 2013 existierten in Deutschland zehn systembiologische Projekte, die das BMBF fördert.
Als Pilotprojekt wurde 2004 das Kompetenznetz „HepatoSys“ mit dem Ziel, eine „virtuelle Leberzelle“ zu generieren etabliert. Damit wurden Standards für weitere Projekte geschaffen. Für jedes Forschungsprojekt, ob national oder transnational, gelten heute weltweit gültige Richtlinien, denen jedes Forschungsprojekt genügen muss. Einheitliche Methoden zur Generierung, Dokumentation, Speicherung und für das Management von Daten und Modellen sind erforderlich und dienen dem Ziel, die bereits vorhandenen Datenbanken einzelner Komponenten wie Zellen oder Proteinen auch um Informationen über Interaktionspartner dieser Komponenten zu erweitern.
Das Netzwerk „virtuelle Leber“ führt diese Mission seit 2010 fort, um Physiologie, Morphologie und Funktion der menschlichen Leber in einem Modell zu vereinen.
Mit FORSYS und FORSYS-Partner wurden Zentren und Arbeitsgruppen aufgebaut, die interdisziplinäre Expertisen und Technologien zur Ausbildung von Systembiologen ermöglichen. Damit wurden wichtige Voraussetzungen für eine erfolgreiche systembiologische Forschung in der Zukunft geschaffen.
Die Systembiologie stellt methodisch und technologisch hohe Anforderungen an die quantitative Analyse von Prozessen in Zellen. Dazu wurden die Fördermaßnahmen „QuantPro“ (Quantitative Analyse zur Beschreibung dynamischer Prozesse in lebenden Systemen, 2006) und darauf aufbauend „SysTec“ (Neue Methoden in der Systembiologie, 2009) initiiert.
Ein weiterer Schwerpunkt der Systembiologie ist mit 18 Verbundprojekten die biomedizinische Forschung („MedSys“, 2009). Die Therapie von Erkrankungen wird häufig durch ein komplexes und nicht einheitliches Krankheitsbild erschwert. Neben der Entwicklung neuer Therapieansätze arbeiten Forscher verstärkt an Biomarkern, die eine genauere Diagnose ermöglichen und den Verlauf von Krankheiten mit Hilfe definierter Parameter abbilden können. Auch weit verbreitete genetische Unterschiede, die den Verlauf einer Erkrankung beeinflussen und die individuellen Behandlungsmöglichkeiten (Individualisierte Medizin) mit einfließen zu lassen birgt enormes Potential, Erkrankungen wirksam zu begegnen. Ergänzt werden diese Fördermaßnahmen im biomedizinischen Bereich durch Systembiologie in der Krebsforschung („CancerSys“, 2011) und Projekten, die das Verständnis von Alterungsprozessen verbessern („GerontoSys I & II“, 2010, 2011).
Auch bioökonomische Anstrengungen profitieren zunehmend von systembiologischer Forschung. So unterstützen „BioEnergieSys“ (2008) und Systembiologie der Mikroorganismen („SysMO I & II“, 2006, 2009) die „Nationale Forschungsstrategie Bioökonomie 2030“. Auf europäischer Ebene werden Beiträge zu Bioenergie, Biotechnologie und Agrikultur über die Fördermaßnahmen von „ERASysBio+“ (2009) unterstützt. 2011-2013 wurde die Förderung innovativer Projekte um den e:Bio-Innovationswettbewerb erweitert.
