Το μοριακό όλον στη Βιολογία

Mini εισαγωγή: Μοιράζομαι μαζί σας το άρθρο που έγραψα για το πνευματικό παιδί-δημιούργημα, που έχουμε βαφτίσει με άλλους νονούς και είναι το biology4u.gr. Το άρθρο αυτό μιλάει για έναν σχετικά νέο τομέα και ίσως να θυμίζει και λίγο Αριστοτέλη, αλλά έχει πρόσθετη σημασία γιατί είναι ο τομέας που έχω ερωτευτεί και πιστεύω σε αυτόν.

Πηγή

Αν θέλει κάποιος να καταλάβει πώς κινείται ένα αυτοκίνητο, δεν χρειάζεται να γνωρίζει από τι υλικό είναι φτιαγμένα τα μπουλόνια, πόσο ρεύμα δίνει το μπουζί ή πόσα οκτάνια έχει η βενζίνη. Πρέπει να κατανοήσει πώς συνδέονται όλα τα επιμέρους κομμάτια μεταξύ τους, ώστε να μετατραπεί η χημική ενέργεια σε κινητική, να στραφούν οι τροχοί, για να κινηθεί το αυτοκίνητο. Παρομοίως η απομόνωση ενός οργάνου από μια συμφωνική ορχήστρα και η ακρόαση του κομματιού που εκτελεί, δεν είναι αρκετή, ώστε να καταλάβει κανείς πώς ακούγεται η σύνθεση στην οποία συμμετέχουν όλα τα μουσικά όργανα.

Στη βιολογία για χρόνια το πλαίσιο εντός του οποίου κινείτο η έρευνα και η προσπάθεια για κατανόηση, ήταν ο αναγωγισμός: Δηλαδή η μελέτη ενός γονιδίου, της πρωτεΐνης που εκφράζει, της δραστικότητας του ενζύμου, του αναστολέα που δεσμεύεται στο ενεργό κέντρο κ.τ.λ.. Όμως η προσέγγιση αυτή, κάθε άλλο παρά αρκετή αποδείχτηκε ώστε να επιτρέψει τη μετάβαση στο επόμενο βήμα. Το έδαφος όμως σιγά-σιγά άρχισε να αλλάζει από τα νέα δεδομένα που έρχονταν στο προσκήνιο, την ανάγκη για μια εξ ολοκλήρου διαφορετική θεώρηση της επιστημονικής προσέγγισης στα βιολογικά ερωτήματα, αλλά και στον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τα βιολογικά φαινόμενα.

Το άστρο της Βιολογίας Συστημάτων άρχισε να λάμπει μόλις το 2000, με τις ραγδαίες εξελίξεις στο χώρο της μοριακής βιολογίας, την ανάπτυξη των –omics, την αποκρυπτογράφηση πολλών γονιδιωμάτων οργανισμών – εργαλείων (Ε. coli, C. elegans, D. melanogaster κτλ) και την αύξηση της υπολογιστικής ισχύος, που έγινε πλέον ικανή να στηρίξει έναν μεγάλο όγκο πειραματικών δεδομένων και να προωθήσει την ανάπτυξη του κλάδου της Βιοπληροφορικής.

Τα θεμέλια όμως για τη Βιολογία Συστημάτων δεν τέθηκαν μόλις τώρα. Αντιθέτως η αρχή έγινε το 1933 με τη διατύπωση της θεωρίας της ομοιόστασης από τον Cannon και την απόπειρα ερμηνείας βιολογικών συστημάτων στο επίπεδο της φυσιολογίας. Τη σκυτάλη στην συνέχεια πήρε το 1948 ο Wiener, θέτοντας τις βάσεις της κυβερνητικής και του συστημικού τρόπου κατανόησης των βιολογικών συστημάτων, για να ακολουθήσει το 1968 η διατύπωση της γενικής θεωρίας των συστημάτων, από von Bertalanffy. Σύμφωνα όμως με τον Κitano, η διαφορά της Βιολογίας Συστημάτων από όλες τις προγενέστερες απόπειρες ορισμού του σχετικού χώρου, είναι ότι για πρώτη φορά, το μέσο για την κατανόηση και ερμηνεία των βιολογικών συστημάτων βρίσκεται στο μοριακό επίπεδο, όπως τα γονίδια και οι πρωτεϊνες, κάτι δηλαδή που επέτρεψε τη σύνδεση τη μοριακής γνώσης με τη συστημική προσέγγιση. Οπότε μπορεί να πει κανείς ότι η Βιολογία Συστημάτων παντρεύει τη μοριακή βιολογία με τη φυσιολογική λειτουργία αλληλοσυνδεόμενων βιολογικών μονοπατιών, προσφέροντας ποιοτικά και ποσοτικά δεδομένα για την ερμηνεία, την πρόβλεψη της λειτουργίας, αλλά και για την κατανόηση της αρχιτεκτονικής ολόκληρων συστημάτων.

Πώς όμως λειτουργεί η Βιολογία Συστημάτων και πώς συνδέονται τα δεδομένα με τη γνώση; Ένα απλό παράδειγμα είναι η αλληλούχιση ολόκληρων γονιδιωμάτων, από όπου στην καλύτερη των περιπτώσεων μπορούν να προκύψουν πληροφορίες για την αναγνώριση των θέσεων σύνδεσης των μεταγραφικών παραγόντων, την ανάλυση των σημείων ελέγχου στο επίπεδο της αντιγραφής και της έκφρασης του DNA και των μεταβολιτών και τον προσδιορισμό των γονιδίων που μεταγράφονται, με την ανάλυση της δομής της χρωματίνης στο κύτταρο. Ωστόσο, αν και τα δεδομένα αυτά είναι πολλά, δεν είναι αρκετά για να επιτευχθεί το επίπεδο κατανόησης που θα επιτρέψει να γίνουν προβλέψεις για τον τρόπο που θα αντιδράσει ένα κύτταρο ή ένας οργανισμός σε ένα συγκεκριμένο ερέθισμα. Άρα ο αναγωγισμός στη βιολογία δεν μπορεί να προσφέρει πλήρη γνώση των περίπλοκων και προσαρμόσιμων συστημάτων, όπου το άθροισμα των δεδομένων είναι πάντα μικρότερο από το αλληλένδετο σύνολο τους, εν αντιθέσει με την ολιστική προσέγγιση η οποία χαρίζει το πλεονέκτημα της σύνδεσης των επιμέρων στοιχείων, υπό τη σκέπη ενός μοντέλου πρόβλεψης. Bέβαια τα αποτελέσματα που μπορούν να προκύψουν, όπως αναφέρεται παραπάνω αποτελούν την πιο αισιόδοξη πλευρά, αν αναλογιστεί κανείς ότι μόνο το 45% των γονιδίων του E. coli, του καλύτερα δηλαδή μελετημένου οργανισμού, έχει αντιστοιχηθεί προς κάποια συγκεκριμένη λειτουργία.

Χάρτης 249 γονιδίων και των σχέσεών τους σε ζυμομύκητα (Kitano,2001)

Ακριβώς αυτή η μοντελοποίηση είναι ο θεμέλιος λίθος της Βιολογίας Συστημάτων, που βασίζεται σε ποσοτικά μαθηματικά μοντέλα, αλγορίθμους και matrices. Βέβαια αυτό δεν είναι κάτι νέο στη βιολογία καθώς το σύνολο των λέξεων που απαρτίζουν μια θεωρία, τα γραφήματα, οι χημικοί τύποι, οι εικόνες και τα βιοχημικά μονοπάτια αποτελούν μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες για να παρουσιαστούν με έναν κοινά αποδεκτό κώδικα, οι υποθέσεις και τα αποτελέσματα του σχεδιασμού και της εκτέλεσης των πειραμάτων. Βεβαίως στο οπλοστάσιο της Βιολογίας συστημάτων, εκτός από τη μοντελοποίηση, περιλαμβάνονται και οι κλασικές προσεγγίσεις της γενετικής μηχανικής και της μεταβολικής μηχανικής, με συνεκτικό κρίκο την παρουσίαση όσο το δυνατό απλών μοντέλων για την πρόβλεψη της λειτουργίας και των παραγόμενων προϊόντων των βιολογικών συστημάτων.

Ανακεφαλαιώνοντας, μπορεί να πει κανείς ότι η Βιολογία Συστημάτων αποτελεί τη γέφυρα μεταξύ της «παλιάς» βιολογίας και της «νέας» ολιστικής βιολογίας, όπου ενοποιούνται τα δεδομένα από τα –omics, την ανάλυση μεταβολικών ροών, της αρχιτεκτονικής δικτύων (π.χ μεταβολικές οδοί, όπως η γλυκόλυση, κύκλος του κιτρικού οξέος και πορεία των φωσφορικών πεντοζών) και της μοντελοποίησης στο επίπεδο του κυττάρου, του οργανισμού ακόμα και του οικοσυστήματος. Αν και η Βιολογία Συστημάτων είναι στα σπάργανα, αποτελεί έναν ελπιδοφόρο νέο χώρο, που μπορεί ίσως να αγκαλιάσει την πολυπλοκότητα της ίδιας της ζωής και να δώσει νέες κατευθύνσεις προς την παραγωγή φαρμακευτικών ουσιών, την πρόληψη και αντιμετώπιση ασθενειών, την επίδραση του περιβάλλοντος στους οργανισμούς, την παραγωγή αμινοξέων και όποιων άλλων προϊόντων θα μπορούσαν να προκύψουν από τα μοριακά εργοστάσια, που αποκαλούνται κύτταρα. Σίγουρα τα εμπόδια είναι πολλά και πολλές τεχνικές περιορισμένες, ίσως όμως το κοίταγμα του δάσους και όχι του δένδρου, να συμβάλλει στη δημιουργία νέων αφετηριών και προσεγγίσεων για τη βιολογία του 21ου αιώνα.


Πηγές

• Foundations of Systems Biology., Hiroaki Kitano. The MIT Press., ISBN 0-262-11266-3

• System Modeling in Cell Biology From Concepts to Nuts and Bolts. , Zoltan Szallasi, Jφrg Stelling, Vipul Periwal., The MIT Press., ISBN 0-262-19548-8

• Συνέντευξη του Γρηγόρη Στεφανόπουλου στο Βήμα, Απρίλης 2006