Systembiologie
Systembiologische Vorgehensweise.
Die Systembiologie (Synonym: Systeomik, englisch systems biology, integrative biology oder predictive biology)[1] ist ein Zweig der Biowissenschaften, der versucht, biologische Organismen in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Das Ziel ist, ein integriertes Bild aller regulatorischen Prozesse über alle Ebenen, vom Genom über das Proteom, zu den Organellen bis hin zum Verhalten und zur Biomechanik des Gesamtorganismus zu bekommen. Wesentliche Methoden zu diesem Zweck stammen aus der Systemtheorie und ihren Teilgebieten. Da aber die mathematisch-analytische Seite der Systembiologie nicht perfekt ist, kommen als Forschungsmethoden häufig Computersimulationen und Heuristiken zum Einsatz. Die Systembiologie führt die Zeit als wichtigen Faktor wieder in die Molekularbiologie ein, welche Überlegungen über den exakten zeitlichen Ablauf von Reaktionen bisher eher vermied, ganz im Gegensatz zur Biochemie. Die Systembiologie kehrt zur biochemischen Sichtweise der Welt zurück, macht sich Gedanken über Prozesse und wie diese sich im Laufe der Zeit verändern, jedoch mit einer radikalen Erweiterung der Skala. In der Systembiologie werden tausende Reaktanten beobachtet, wodurch Systembiologie in einer deutlich dynamischeren Sichtweise der Biologie resultiert als die der klassischen Molekularbiologie oder Genetik.
1 Definitionen
3 Methodische Ansätze
4 Mathematik und Modellierung
5 Beispiele für Systembiologie
6 Förderprojekte
6.2 Transnational
7 Kritik
9.1 Deutsch
9.2 Englisch
11 Einzelnachweise
Definitionen[Bearbeiten]
Systembiologie untersucht nicht einzelne Gene oder Proteine zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie das die letzten 30 Jahre erfolgreich praktiziert wurde. Sie untersucht das Verhalten und das Verhältnis aller Elemente in einem bestimmten biologischen System während es funktioniert.[2]
Um Biologie auf einer systemischen Ebene zu verstehen, müssen die Struktur und die Dynamik der zellulären Funktionen sowie der Funktionen des Organismus und nicht die Eigenschaften isolierter Teile einer Zelle oder eines Organismus untersucht werden.[3]
Systembiologie versucht, das quantitative Verhalten eines biologischen Prozesses, welcher realistischen Störungen ausgesetzt wurde, vorherzusagen, so dass dieses quantitative Verfahren seine Stärke auf expliziter Einbeziehung der am Prozess beteiligten Komponenten, ihrer Interaktionen und realistischer Werte ihrer Konzentrationen, Aufenthaltsorte und Zustände begründet.[4][5]
Eine Disziplin am Schnittpunkt zwischen Biologie, Mathematik und Physik welche experimentelle und rechnerbetonte Ansätze vereint, um biologische Prozesse in Zellen, Geweben und Organismen zu verstehen.[6]
Die Systembiologie zielt darauf ab, zu einem umfassenden quantitativen Verständnis der dynamischen Interaktionen zwischen den Bausteinen und Komponenten eines biologischen Systems zu gelangen, um das Verhalten des Systems als Ganzes zu verstehen und Vorhersagen zu ermöglichen. Zur Erreichung dieses Ziels werden mathematische Konzepte auf biologische Systeme angewandt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei ein iterativer Prozess zwischen Laborexperiment und Modellierung im Computer.
Das Konzept integrativer Studien biologischer Systeme ist nicht neu. Ein biologisches Teilgebiet, in welchem Systemanalyse bereits seit mehreren Jahrzehnten betrieben wird ist die Ökologie. Die berühmte Lotka-Volterra-Gleichung von 1931 kann bereits als systemischer Ansatz gewertet werden.[7]
Als Vorläufer der Systembiologie kann die Allgemeine Systemtheorie von Ludwig von Bertalanffy angesehen werden.
Die Bedeutung der Systembiologie wurde 1948 von Norbert Wiener erkannt.[8]
Als Pioniere der Systembiologie gelten die britischen Neurophysiologen und Nobelpreisträger Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley, die 1952 mit dem mathematischen Modell einer Nervenzelle die Grundlagen für die mathematische Simulation von Lebensprozessen auf Basis von Differenzialgleichungen legten.[9]
Andrew Huxley, Juli 2005
1960 erregte Denis Noble mit der Publikation seiner Doktorarbeit in der Zeitschrift Nature Aufsehen; er präsentierte darin das erste mathematische Modell eines schlagenden Herzens, mit dem neue Medikamente und Defibrillationsgeräte am Computer getestet werden können.[10]
Der Begriff Systembiologie ist seit den 60er Jahren in Gebrauch, ursprünglich in Verbindung mit dynamischen Interaktionen, mathematischer Modellierung und Simulation biologischer Signalwege.[11]
1970 beschrieb Jacques Monod, der an regulatorischen Proteinen forschte, insbesondere an allosterischen Enzymen, die Kybernetik bzw. feedback-regulierte Mechanismen auf molekularem Level.[12]
Der Durchbruch für die Systembiologie kam um die Jahrtausendwende durch die Entwicklung von Hochdurchsatztechnologien zur Messung von Genexpression, Proteinexpression und Protein-Protein Interaktion auf molekularem Level und dem Abschluss des Humangenomprojekts und zahlreicher anderer Genomprojekte. Die Flut der dabei erhaltenen Daten für etwa drei Milliarden Basenpaare und über eine Million Proteine pro Zelle macht es unmöglich, alle theoretisch denkbaren und interessierenden Experimente im Labor durchzuführen. Deshalb ist die Modellierung am Computer zur Voraussetzung für die Auswahl der erfolgversprechendsten Ansätze geworden.
Die verbreitete Nutzung des Internets war eine Grundvoraussetzung für den Durchbruch der Systembiologie, da erst das Internet die gemeinsame Nutzung riesiger Datenmengen in internationaler Zusammenarbeit ermöglichte.
Den aktuellen Stand der Wissenschaft kann man in spezialisierten Fachzeitschriften, wie Molecular Systems Biology sowie auf zahlreichen internationalen Kongressen wie z.B. der ICSB verfolgen.
Methodische Ansätze[Bearbeiten]
Schematisch