Edwin Bendyk, "System na muszce. Złożone mechanizmy przypominają organizmy żywe" (2005)

EDWIN BENDYK

Boeing 777, pierwsza maszyna zaprojektowana całkowicie za pomocą komputerów, składa się ze 150 tys. podsystemów sprzężonych w jeden system. Steruje nim sieć tysiąca komputerów. Zarządzanie wewnętrznymi funkcjami samolotu oznacza konieczność przetwarzania gigantycznej ilości informacji. Co minutę powstaje jej tyle, ile natura zapisała w ludzkim genomie.

Czy projektowanie tak skomplikowanych systemów nie jest wyrazem nadmiernej pychy człowieka? Przecież nie mogą być one niezawodne, gdzieś przepali się bezpiecznik, gdzie indziej zawiesi jeden z tysiąca komputerów. Odpowiedzią na te awarie jest właśnie złożoność. System złożony to coś więcej niż tylko bardzo skomplikowany – to taki, w którym funkcjonalne moduły połączone są siecią zależności (cybernetyk powiedziałby: sprzężeń) zaprojektowanych tak, by błąd w jednym podsystemie nie miał konsekwencji dla całości.

Podobnymi systemami są żywe organizmy. Na przykład ulubiony obiekt badań biologów – muszka owocowa. Potrafi ona w różnych warunkach zewnętrznych nie tylko latać, ale i błyskawicznie się rozmnażać. Kluczem do zrozumienia tej stabilności, mimo zmian w otoczeniu, jest pojęcie homeostazy. Wprowadzone do biologii w latach 30. ubiegłego stulecia przez amerykańskiego neurologa i fizjologa Waltera Cannona oznacza zdolność organizmu do samoregulacji. Zdolność ta, podobnie jak w przypadku współczesnego samolotu, jest wynikiem złożoności: powiązania funkcjonalnych części organizmu w kontrolujące się wzajemnie sieci zależności.

Kokpit Boeinga 777. Komputery sterujące samolotem przetwarzają co minutę tyle informacji, ile zapisanych jest w ludzkim genomie.

Żywe organizmy są produktem ewolucji, którą nie kieruje żaden zamysł (jakim jest projekt w przypadku samolotu), lecz nieustanna gra różnorodnych form życia z otoczeniem, a jej stawką jest przetrwanie. W 1953 r. James Watson i Francis Crick odkryli tajemnicę dziedziczności, rozszyfrowując strukturę DNA. Wydawało się, że odczytanie przepisu na życie – zdobycie instrukcji budowy organizmu żywego analogicznej do instrukcji budowy systemów inżynierskich – jest tylko kwestią czasu. Wystarczy tylko odkodować informację zapisaną w DNA. Bo DNA składa się z genów, które są przepisami na wytwarzanie białek – cząsteczek spełniających w organizmie najważniejsze funkcje.

Ruszyła więc wielka machina biologii molekularnej, a najbardziej spektakularnym aktem tego naukowego dramatu był ostatni wielki program naukowy XX stulecia: Projekt Poznania Genomu Ludzkiego. Wielka nauka, wielkie pieniądze, wielkie emocje i trochę skandali. Początkowo wszystko szło zgodnie z planem, międzynarodowe konsorcjum naukowe Human Genome Project, szczodrze finansowane przez rządy takich krajów jak Stany Zjednoczone, Japonia, Wielka Brytania, przewidywało, że osiągnie cel – dokładną mapę genomu człowieka – gdzieś około 2005 r. Ale w drugiej połowie lat 90. na scenie pojawił się Craig Venter, tyleż genialny co kontrowersyjny biolog-outsider, który wspierany przez kapitał prywatny rzucił wyzwanie naukowemu establishmentowi. Rozpoczął się szalony wyścig, jego oficjalny finał miał miejsce w 2000 r. w Białym Domu. Po intensywnych negocjacjach szef Human Genome Project Francis Collins zgodził się uścisnąć dłoń Venterowi w obecności kamer, a patronujący zgodzie (chwilowej i pozornej) prezydent Bill Clinton oświadczył, że odsłonięcie tajemnicy genetycznej konstytucji człowieka to wydarzenie równie epokowe jak lądowanie na Księżycu.

Politycy lubią efektowne puenty, bo lubią je wyborcy. Ale biolodzy doskonale zdawali sobie sprawę, że otwarty w Białym Domu szampan piją na kredyt. Choć prezydent zapowiedział, że naukowcy już wylądowali na innej planecie, oni dopiero kończyli montować rakietę. Bo geny to nie wszystko. Już pierwsze analizy świeżo opisanego ludzkiego genomu przyniosły sensacje. Okazało się, że człowiek potrzebuje nie, jak szacowano, 100 tys. genów, lecz „zaledwie” około 40 tys. Tyle że ta liczba zdolna jest kierować produkcją kilkuset tysięcy białek. Tym samym upadł jeden z dogmatów biologii molekularnej: jeden gen koduje jedno białko.

Genom szybko przestał być gwiazdą mediów – dziś, by użyć słownika młodzieżowego, trendy jest proteom. A proteom to nic innego jak wszystkie kodowane przez genom białka. Dopiero poznanie ich struktury, funkcji i wzajemnych oddziaływań przybliży do poznania mechanizmów działania komórek i organizmów, owych samoregulujących się systemów złożonych. Już więc w 2001 r. jedna z konferencji naukowych, jak podaje „Świat Nauki”, przebiegała pod hasłem: „Projekt Poznania Ludzkiego Proteomu: geny to była łatwizna”.

Mówiąc inaczej, z zapisanej w genie informacji można dowiedzieć się tylko, jaka jest budowa łańcucha białka. Ale występujące w organizmie białka, jeśli na przykład pełnią funkcję enzymów, są zazwyczaj tworami kompleksowymi, składającymi się z kilku łańcuchów oraz dodatkowych cząsteczek chemicznych: jonów metali, cukrów. Ponadto właściwości białek zależą od ich przestrzennej architektury, dynamicznie zmieniającej się w zależności od warunków środowiska. O tym w genie ani słowa. Jak i o tym, kiedy jakie białka są wytwarzane.

Ta wiedza kryje się w oddziaływaniach – genów z genami, genów z białkami i białek z białkami. W grudniu 2003 r. amerykański tygodnik naukowy „Science” poświęcił okładkę, specjalną wkładkę i znaczną część numeru (to rzadkość w poważnych czasopismach naukowych) na prezentację imponującego osiągnięcia. Kilkudziesięcioosobowy zespół ze Stanów Zjednoczonych przedstawił mapę oddziaływań między białkami proteomu muszki owocowej – ponad 7 tys. białek połączonych ze sobą nieprzeniknionym, wydawałoby się, gąszczem tysięcy linii przedstawiających zachodzące w komórce interakcje. By tego dokonać, potrzeba było kilku lat żmudnych analiz laboratoryjnych i jeszcze żmudniejszych obliczeń komputerowych z wykorzystaniem najszybszych dostępnych maszyn.

To pierwsza taka mapa dla organizmu złożonego. I choć muszkę owocową dzieli od człowieka dosyć długi dystans na ewolucyjnym szlaku, doświadczenie biologów pokazuje, że wiele wniosków wyciągniętych z badań nad tym łatwiejszym do pracy w laboratorium stworzeniem można z powodzeniem wykorzystać w badaniach nad człowiekiem. Przyglądając się muszce można szukać podpowiedzi dotyczących sposobu regulacji genów, rozwoju komórkowych patologii, sterowania szlakami metabolicznymi. Wniosek jednak w tej chwili najważniejszy – mapa proteomu muszki pokazuje jednoznacznie, jak bardzo złożonym i powiązanym systemem jest żywy organizm już od poziomu molekularnego.

Daleko natomiast do odpowiedzi na kluczowe pytania: jaki wpływ będzie miała modyfikacja jednego białka nie tylko na wypełniane przez nie bezpośrednio funkcje, ale i na cały system? Jakie ingerencje i zmiany nie będą miały żadnego wpływu, a jakie mogą być wręcz zabójcze? Czy wiele chorób, na przykład nowotwory, nie są skutkiem patologii w takiej złożonej sieci oddziaływań? A jeśli tak, to czy zdołamy takie systemowe patologie kiedykolwiek precyzyjnie diagnozować, a w efekcie projektować skuteczne leki przywracające sieci molekularnych oddziaływań normalność?

To pytanie nie tylko o zdrowie, ale i o pieniądze. Przemysł farmaceutyczny pilnie potrzebuje nowych impulsów. Projektowanie leków tradycyjnymi metodami jest coraz mniej skuteczne i coraz droższe. W 2000 r. przemysł ten wydał na badania 30 mld dol. i zdołał wprowadzić do obiegu zaledwie trzydzieści nowych specyfików. Proteomika otwiera szansę poznania złożonych molekularnych przyczyn chorób, a tym samym daje nadzieję na projektowanie skuteczniejszych leków, tzw. designer drugs (leków na miarę).

Inne pole dla zastosowań badań postgenomicznych widzi amerykański Departament Energii (DoE). Jego urzędników najbardziej interesuje wyjaśnienie tajemnic oddziaływań molekularnych mikroorganizmów. Choć cel ten wydaje się mało wzniosły, to jednak mikroorganizmy tworzą ponad połowę biomasy znajdującej się na Ziemi. „Mikroorganizmy kontrolują cykle biogeochemiczne Ziemi i mają wpływ na wydajność gleby, jakość wody, globalny klimat. W istocie zdolność tej planety do podtrzymywania życia zależy od aktywności mikroorganizmów” – piszą eksperci DoE w „Science”.

Poznanie tajników sieci oddziaływań molekularnych najważniejszych drobnoustrojów pozwoli załadować superkomputery wiarygodnymi danymi, by tworzyć zaawansowane symulacje rozwoju globalnych procesów klimatycznych i biogeochemicznych. Lista marzeń, nadziei i potencjalnych możliwości się nie kończy. Dlatego specjalny plakat prezentujący powiększoną mapę proteomicznej sieci muszki owocowej, towarzyszący omawianemu wcześniej artykułowi, „Science” opatrzył wymownym podtytułem: „Świt epoki biologii systemów”.

Jednym z największych entuzjastów biologii systemów jest Japończyk Hiroaki Kitano, współautor i redaktor książki „Foundations of Systems Biology” (Podstawy biologii systemów), który karierę badawczą w obszarze biologii systemów łączy z pracą w... koncernie Sony. Zajmuje się w nim projektami związanymi z robotyką i sztuczną inteligencją, popularny piesek-robot Aibo jest dziełem jego laboratorium. To połączenie wiedzy biologicznej, inżynierskiej i informatycznej jest symptomatyczne i niezwykle cenne w czasach, kiedy systemy techniczne zaczynają swoją złożonością przypominać organizmy żywe, a z kolei organizmy żywe okazują się bardziej złożone, niż jeszcze nie tak dawno się wydawało.

Kitano nie ma wątpliwości, że złożoność tę możemy rozwikłać. Byle odpowiednio wysoko postawić poprzeczkę i należycie przygotować się do jej pokonania. Dlatego nie zadowalają go projekty cząstkowe, jak na przykład ograniczenie się do poznania ludzkiego proteomu. Idzie dalej i w swej książce proponuje program Human Systeome Project – projekt poznania ludzkiego systeomu. Co to takiego? To zestaw map wszystkich oddziaływań molekularnych w komórkach organizmu ludzkiego i innych ważnych parametrów w różnych warunkach, uwzględniający dynamikę tych oddziaływań. Na razie musimy zadowolić się mapą oddziaływań białkowych dla muszki owocowej lub opublikowaną na początku lutego bieżącego roku mapą oddziaływań między genami w komórce drożdży. Dr Michał Dąbrowski z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN komentuje: – Te doniesienia robią wrażenie. Ale to naprawdę dopiero początek, a do rozwiązania jest mnóstwo fundamentalnych problemów natury eksperymentalnej i analitycznej. Niezależnie od wyników poszukiwań jedno jest pewne: rewolucje, przynajmniej w nauce, ciągle są jeszcze możliwe.