13.1 Von Komponenten zu Systemen

Lernziele

Nach der Bearbeitung dieses Kapitels sollten Sie in der Lage sein,

zu erklären, warum die Untersuchung einzelner Moleküle oft nicht ausreicht, um biologische Systeme zu verstehen,
zwischen reduktionistischen und systemorientierten Ansätzen zu unterscheiden,
das Konzept der Emergenz zu beschreiben,
zu erläutern, warum biologische Wechselwirkungen ebenso wichtig sind wie biologische Komponenten,
zu verstehen, warum sich die Systembiologie zu einer zentralen Disziplin der modernen Biologie entwickelt hat.

Die Herausforderung, lebende Systeme zu verstehen

Einer der großen Erfolge der modernen Biologie war die Identifikation der molekularen Bausteine des Lebens. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts führten bemerkenswerte Fortschritte in Genetik, Biochemie und Molekularbiologie zur Aufklärung der DNA-Struktur, zur Entschlüsselung des genetischen Codes, zur Identifikation Tausender Proteine und zur Beschreibung unzähliger biochemischer Reaktionen. Heute verfügen wir über einen gewaltigen Katalog biologischer Komponenten und ein detailliertes Verständnis vieler ihrer individuellen Funktionen.

Dieser Erfolg beruhte in hohem Maße auf einem reduktionistischen Ansatz. Komplexe biologische Systeme wurden in immer kleinere Teile zerlegt, sodass sich jede Komponente einzeln untersuchen ließ. Gene wurden mit Phänotypen in Verbindung gebracht, Proteinen wurden biochemische Funktionen zugeordnet, und Stoffwechselreaktionen wurden Schritt für Schritt rekonstruiert. Der Reduktionismus bleibt eine der wirkungsvollsten Strategien der Wissenschaft, weil das Verständnis der Einzelkomponenten eines Systems oft der erste Schritt zum Verständnis des Systems als Ganzem ist.

Allmählich setzte sich jedoch eine wichtige Einsicht durch. Selbst wenn man alle Einzelteile eines biologischen Systems kennt, erklärt das noch nicht notwendigerweise, wie sich das System als Ganzes verhält.

Betrachten wir eine lebende Zelle. Wir mögen Tausende Gene, Proteine, Metabolite und biochemische Reaktionen kennen, und dennoch bleibt es erstaunlich schwierig vorherzusagen, wie die Zelle auf Stress reagiert, sich in einen spezialisierten Zelltyp differenziert oder sich an eine veränderte Umwelt anpasst. Das Verhalten des Systems hängt nicht nur von seinen Komponenten ab, sondern ebenso von dem komplexen Geflecht an Wechselwirkungen, das diese Komponenten miteinander verbindet.

An genau dieser Beobachtung setzt die Systembiologie an.

Jenseits der Einzelteile: Warum Wechselwirkungen entscheidend sind

Zur Veranschaulichung betrachten wir die Zellen des menschlichen Körpers.

Mit wenigen Ausnahmen enthält nahezu jede Zelle dasselbe Genom. Dennoch leiten Neuronen elektrische Signale weiter, Muskelzellen erzeugen Kraft, Hepatozyten übernehmen Stoffwechselfunktionen, und Immunzellen erkennen Pathogene. Diese unterschiedlichen Funktionen lassen sich nicht allein durch Unterschiede in der DNA-Sequenz erklären.

Vielmehr etablieren unterschiedliche Zelltypen unterschiedliche Regulationsprogramme. Manche Gene werden stark exprimiert, andere stillgelegt, und Tausende regulatorische Wechselwirkungen bestimmen, welche zellulären Prozesse aktiv sind. Die Identität einer Zelle entsteht daher aus der koordinierten Aktivität vieler miteinander interagierender Moleküle und nicht aus einzelnen Genen.

Dasselbe Prinzip lässt sich in vielen anderen biologischen Systemen beobachten. Patienten mit ähnlichen genetischen Varianten können unterschiedlich auf dasselbe Medikament reagieren. Eng verwandte Bakterienstämme zeigen oft verschiedene Stressantworten. Selbst genetisch identische Zellen, die unter identischen Bedingungen wachsen, können in unterschiedliche funktionelle Zustände übergehen.

In all diesen Beispielen hängt das biologische Verhalten nicht nur davon ab, welche Moleküle vorhanden sind, sondern ebenso davon, wie diese Moleküle einander beeinflussen.

Biologische Einsicht

Biologische Funktion wird nur selten durch ein einzelnes Gen oder Protein bestimmt. Sie entsteht vielmehr aus Tausenden molekularer Komponenten, die gemeinsam als integriertes System wirken.

Von der Molekularbiologie zur Systembiologie

Die Einsicht, dass Wechselwirkungen grundlegend für biologische Funktion sind, führte zur Entstehung der Systembiologie.

Anstatt zu fragen, wie einzelne Moleküle isoliert funktionieren, untersucht die Systembiologie, wie große Zahlen miteinander wechselwirkender Komponenten gemeinsam das Verhalten lebender Systeme hervorbringen. Der eigentliche Untersuchungsgegenstand ist damit nicht länger das einzelne Molekül, sondern das biologische System selbst.

Dieser konzeptionelle Wandel wurde durch technologische Fortschritte möglich. Hochdurchsatzverfahren erlauben es heute, Tausende Gene, Proteine oder Metabolite gleichzeitig zu messen. Moderne Experimente liefern daher keine isolierten Einzelbeobachtungen mehr, sondern umfassende Beschreibungen zellulärer Zustände.

Diese Technologien haben die Fragen, die Biologen stellen können, grundlegend verändert.

Die klassische Molekularbiologie fragt oft:

Welche Funktion hat dieses Gen?

Die Systembiologie fragt:

Wie wirken Tausende Gene, Proteine und Metabolite zusammen, um eine zelluläre Funktion hervorzubringen?

Anstatt biologische Systeme als Sammlungen unabhängiger Komponenten zu betrachten, versteht die Systembiologie sie als hochorganisierte Netzwerke miteinander interagierender Moleküle.

Emergenz: Wenn das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile

Ein zentrales Konzept der Systembiologie ist die Emergenz.

Eine emergente Eigenschaft ist ein Merkmal eines Systems, das durch Wechselwirkungen zwischen seinen Komponenten entsteht, aber keiner einzelnen Komponente allein zugeschrieben werden kann.

Dieses Phänomen begegnet uns in der gesamten Biologie.

Wasserstoff und Sauerstoff besitzen physikalische und chemische Eigenschaften, die sich vollständig von denen des Wassers unterscheiden. Einzelne Proteine katalysieren biochemische Reaktionen, doch erst große Netzwerke wechselwirkender Proteine regulieren den Zellzyklus oder koordinieren zelluläre Antworten auf Umweltsignale. Einzelne Neuronen leiten elektrische Impulse weiter, doch Bewusstsein entsteht erst aus der koordinierten Aktivität von Milliarden miteinander verschalteter Nervenzellen.

Biologische Organisation kann daher als Hierarchie zunehmend komplexer Systeme verstanden werden. Auf jeder Ebene erzeugen Wechselwirkungen zwischen einfacheren Bausteinen neue Eigenschaften, die auf der darunterliegenden Ebene noch nicht vorhanden waren.

Atome bilden Moleküle.
Moleküle setzen sich zu Makromolekülen zusammen.
Makromoleküle bauen Zellen auf.
Zellen organisieren sich zu Geweben.
Gewebe bilden Organe.
Organe wirken in Organismen zusammen.
Organismen sind Teil von Ökosystemen.

Auf jeder Stufe kann das Verhalten der höheren Ebene nicht vollständig verstanden werden, wenn man ausschließlich ihre Einzelkomponenten untersucht.

Emergenz gehört daher zu den definierenden Eigenschaften lebender Systeme.

Systeme werden durch ihre Wechselwirkungen definiert

Wenn biologische Funktion aus Wechselwirkungen hervorgeht, dann wird das Verständnis dieser Wechselwirkungen zu einem der zentralen Ziele der Biologie.

Gene regulieren einander über Transkriptionsfaktoren. Proteine lagern sich zu Komplexen und Signalkaskaden zusammen. Metabolite werden in miteinander verknüpften biochemischen Wegen ineinander umgewandelt. Zellen kommunizieren über Hormone und Signalmoleküle. Organismen interagieren innerhalb ökologischer Gemeinschaften.

Aus diesen Wechselwirkungen entstehen komplexe Netzwerke, durch die Information, Materie und Energie fließen.

Die Systembiologie verlagert den Fokus deshalb von einzelnen Molekülen hin zur Architektur der Wechselwirkungen, die sie miteinander verbindet.

Damit stellt sich eine praktische Frage.

Wie lassen sich Tausende miteinander interagierender biologischer Komponenten so darstellen, dass die Darstellung zugleich intuitiv und mathematisch präzise ist?

Eine elegante Lösung besteht darin, biologische Systeme als Netzwerke darzustellen, in denen biologische Einheiten zu Knoten und ihre Wechselwirkungen zu Kanten werden.

Diese Darstellung liefert eine gemeinsame mathematische Sprache, die auf regulatorische Netzwerke, Protein-Interaktionsnetzwerke, Stoffwechselwege, ökologische Nahrungsnetze und viele andere biologische Systeme angewendet werden kann.

Das nächste Kapitel führt in diese Netzwerkperspektive ein und zeigt, wie die Graphentheorie die mathematische Grundlage für die Untersuchung biologischer Wechselwirkungen bereitstellt.

Zentrale Konzepte

Die klassische Molekularbiologie konzentriert sich in erster Linie auf einzelne biologische Komponenten.
Die Systembiologie untersucht, wie Wechselwirkungen zwischen Komponenten biologische Funktion hervorbringen.
Viele Eigenschaften lebender Systeme entstehen erst durch die koordinierte Aktivität vieler miteinander interagierender Moleküle.
Moderne Hochdurchsatztechnologien ermöglichen die Beobachtung biologischer Systeme auf systemweiter Ebene.
Netzwerke liefern eine natürliche mathematische Darstellung biologischer Systeme mit vielen Wechselwirkungen.

Zusammenfassung

Der Reduktionismus hat unser Verständnis der Biologie grundlegend geprägt, indem er die molekularen Komponenten lebender Systeme sichtbar gemacht hat. Viele biologische Phänomene lassen sich jedoch nicht erklären, wenn diese Komponenten nur isoliert betrachtet werden. Die Systembiologie ergänzt daher die reduktionistische Perspektive, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Molekülen und das aus ihnen entstehende emergente Verhalten in den Mittelpunkt stellt. Diese systemische Sichtweise führt ganz natürlich dazu, biologische Systeme als Netzwerke zu beschreiben, und schafft damit die konzeptionelle Grundlage für den weiteren Verlauf dieses Buchteils.

Fragen zur Selbstkontrolle

Warum reicht die Kenntnis aller molekularen Komponenten nicht aus, um das Verhalten eines biologischen Systems zu erklären?
Worin unterscheidet sich ein systemischer Ansatz von einem reduktionistischen Ansatz?
Definieren Sie den Begriff Emergenz und nennen Sie zwei biologische Beispiele.
Warum hat die Entwicklung von Hochdurchsatztechnologien die Systembiologie beschleunigt?
Warum gelten Wechselwirkungen als grundlegend für das Verständnis biologischer Funktion?