Biologia systemowa - dziwna cisza o Darwinie

Biologia systemowa próbuje holistyczne, całościowo opisać komórkę jako system. Bada ona sieci interakcji pomiędzy genami i białkami. Nathan Blow w swoim artykule na temat powstających technologii badających interakcje wewnątrzkomórkowe pokazał kilka diagramów, które zdumiewają złożonością. [1] Nawet uproszczone schematy szlaków białkowych wyglądają jak szczegółowe diagramy przepływowe dla dużego miasta. Opis do niego stwierdza: „Mapy szlaków ilustrują złożoność komórkowych oddziaływań”. Jedna z technologicznych firm – Plectix – stworzyła komputerowy model zwany Cellucidate, który rozwija tę myśl: „System jest tu reprezentowany na bardzo modularnym poziomie, gdzie jego składniki oddziaływują ze sobą in silico tak, jakby to robiły w rzeczywistości” – stwierdził Paul Edwards, kierownik Plectix. „Wyobraźmy sobie komputerową grę SimCity, gdzie można budować miasta ale przerobioną tak, aby odwzorowywać złożone sieci komórkowe, tak że moduły w komórce – białka i inne molekuły – zamiast kolorowymi animacjami ludzi są automatami. W ten sposób model odzwierciedla zachowanie żywych systemów, jakie reprezentuje: biologia, która wyłania się z naszych modeli jest kombinatoryczną ekspresją tych wszystkich maszyn robiących swoje własne prace – tak, jak ma to miejsce w komórce” – stwierdził Gordon Webster, także z Plectix.

Nawet tak złożony model nie opowiada jednak całej historii. Jaka dynamika steruje tymi sieciami wzajemnych oddziaływań? Dlaczego tysiące tych maszyn robią to, co robią i oddziaływują ze sobą, jak oddziaływują? Blow wyjaśnia: „Aby zrozumieć dynamikę przepływu informacji w komórkach, badacze muszą nie tylko zgłębiać tajniki białek – białkowych sieci oddziaływań, ale muszą oni także zrozumieć oddziaływania białka-DNA, efekty działania mikroRNA i epigenetycznego wpływu na ekspresję genów oraz jak inne makromolekuły, takie jak metabolity oddziaływują na wynik sieci sygnalizacyjnych”. To system jako całość determinuje finalny kształt komórki lub organizmu. Biorąc pod uwagę skalę problemu, biologia systemowa ma jeszcze długą drogę przed sobą.

Godna uwagi fraza z tego artykułu to przepływ informacji. Wzajemne interakcje białek (proteonomika) angażuje złożone sprzężenia zwrotne i procesy regulatorowe. W tak złożonym systemie, śledzenia takiego przepływu informacji szybko staje się bardzo trudne. Jak wyjaśnia Blow: „Jasnym jest, że naukowcy zaczynają zmieniać sposób, w jaki patrzą oni na sieci sygnalizacyjne i przepływ informacji w komórkach”. Genetyczna informacja kodowana w DNA to tylko statyczny plan „podczas gdy protenomika jest znacznie bliższa temu, co dzieje się w komórce - molekularnej manifestacji fenotypu” – dodaje Mike Snyder z Yale. Jaka jest złożoność problemu? Na ten moment firma GeneGo zatrudnia 50 naukowców, by ci ręcznie wyszukiwali opublikowaną literaturę dotyczącą studiów nad wzajemnym oddziaływaniem białek, ekspresji genów, metabolizmu i oddziaływaniem leków. Literatura ta dodawana jest następnie do bazy danych, która obecnie zawiera ponad 120 tysięcy wielostopniowych szlaków oddziaływań - każdy średnio 11-stopniowy, razem z informacją o ich kierunku, metabolizmie i sprzężeniach zwrotnych wraz z linkami do odpowiednich artykułów.

To może obrazować skalę problemu mianowicie modelowanie przepływu informacji w komórkach. Być może dlatego, podsumowując swój artykuł Nathan Blow stwierdził: “Jednak jeśli chodzi o zrozumienia najlepszego sposobu badania przepływu informacji w komórce, Mike Tyers z University of Edinburgh żartuje, że to jak porównywanie różnych stopni nieskończoności. Interesującą kwestią wypływającą z tych wszystkich studiów jest, że dopiero teraz staje się jasne, jak złożone są to systemy – różne sprzężenia zwrotne, jak i ich wzajemny wpływ na siebie w krzyżowym systemie regulacyjnym oraz adaptacje do zaburzeń. Proste modele ścieżek są olbrzymim uproszczeniem tego, co faktycznie zachodzi”.

W drugim artykule Nathan Blow opisuje jedną próbę wyjaśnienia (używając oprogramowania Cellucidate) tylko jednej białkowej ścieżki: „Kiedy badacze z Plectix BioSystems w Somerville w stanie Massachusetts zaczęli używać swojego nowego programu Cellucidate do modelowania ścieżki receptora wzrostu komórek naskórka, obliczyli oni, że istnieje dla tego systemu 10³³ możliwych stanów – włączając w to wszystkie kompleksy białek i stany fosforylacji. To jest rodzaj złożoności, z którym badacze muszą się zmierzyć, jeśli chodzi o komórkowe sieci sygnalizacyjne” – stwierdził Gordon Webster z Plectix. [2] Nieźle, zważywszy na to, że szacowana liczba atomów we wszechświecie to 10⁸⁰. A tu chodzi w grę tylko jedna ścieżka biochemiczna. Gdy weźmiemy pod uwagę, że takich ścieżek są setki, przy czym chodzi nie tylko o same ścieżki, ale i ich wzajemnie, krzyżowe sieci oddziaływań – kompleksowość procesów, które uczeni mają nadzieję modelować szybko przyprawia o zawrót głowy.

Sieci sygnalizacyjne, szlaki, sprzężenia zwrotne, kombinatoryczna ekspresja, wielofazowe szlaki oddziaływań, odporność na zaburzenia, wzajemna regulacja, wyjątkowa złożoność, przepływ informacji – oto język współczesnej biologii. Nic w biologii nie ma sensu poza projektem. Nie znaczy to, że naukowcy zaangażowani w takie badania sami są zwolennikami teorii inteligentnego projektu. Znaczy to jednak, że metodolgia i język opisu bazujący na projekcie najlepiej wyraża biologiczną rzeczywistość, jest najlepszym narzędziem do jej badania.

---------------------------------------------------

Przypisy:

1. Blow, N., "Systems biology: Untangling the protein web". Nature, vol. 460, 16 July 2009, s. 415-418.

2. Blow, N., "Systems biology: Playing by the rules". Nature, vol. 460, 16 July 2009, s. 417.