Biologia systemów

W ciągu ostatnich kilku lat w biologii nastąpiła eksplozja informacji. Mapowanie ludzkiego genomu dało biologom bezprecedensowe szczegóły dotyczące około 30 000 do 40 000 genów. Podejmowane są również wysiłki w celu zidentyfikowania tysięcy, a potencjalnie milionów białek kodowanych przez te geny. Naukowcy podejmują teraz kolejny logiczny krok w integracji wszystkich tych danych: biologię systemów.

Celem jest zrozumienie nie tylko funkcji poszczególnych genów, białek i mniejszych molekuł, takich jak hormony, ale także nauczenie się, jak wszystkie te molekuły oddziałują, powiedzmy, w komórce. Biolodzy mają nadzieję, że wykorzystają te informacje do wygenerowania dokładniejszych modeli komputerowych, które pomogą rozwikłać złożoność ludzkiej fizjologii i mechanizmy leżące u podstaw choroby. Największy zysk: szybszy rozwój skuteczniejszych leków. To naprawdę otwiera zupełnie nowy świat, nowy sposób działania, mówi Aram Adourian, dyrektor ds. zaawansowanych technologii w Beyond Genomics, startupie biologii systemowej w Waltham, MA.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Kilka grup akademickich, firm biotechnologicznych i farmaceutycznych przyjmuje to nowe podejście (patrz tabela) . Producent farmaceutyczny Eli Lilly ma na wiosnę otworzyć swoje nowe Centrum Biologii Systemów w Singapurze. Centrum planuje wydać 140 milionów dolarów w ciągu najbliższych pięciu lat na opracowanie bardziej skutecznych leków przy użyciu podejścia systemowego. W Seattle pionier biotechnologii, Leroy Hood, założył niedawno Instytut Biologii Systemów (patrz Pod maską biologii , DZIECI wrzesień 2001) w celu lepszego zrozumienia złożonych systemów, takich jak układ odpornościowy, a także chorób, takich jak rak. Beyond Genomics wykorzystuje biologię systemową do identyfikowania lepszych celów molekularnych leków na choroby serca i współpracuje z dublińską firmą farmaceutyczną Elan w celu opracowania nowych terapii na chorobę Alzheimera.

Tradycyjnie badacze leków mogą zidentyfikować gen, który jest włączony lub wyłączony u chorych pacjentów, a następnie opracować lek, który reguluje ten gen lub kodowane przez niego białko. Jednak wiele chorób wiąże się z wieloma różnymi genami i białkami, które oddziałują ze sobą w unikalny sposób. Biologia systemowa, badając te złożone interakcje, może rzucić więcej światła na to, jak choroby zmieniają procesy komórkowe. Może to pomóc naukowcom skuteczniej doskonalić kluczowe geny lub białka, które powodują choroby i które w związku z tym są głównymi celami nowych terapii. Naukowcy mogliby również dostosować swoje modele, aby dokładniej symulować działanie potencjalnego leku przed przetestowaniem go na ludziach, oszczędzając firmom miliony dolarów.

Biologia systemowa dopiero niedawno stała się możliwa dzięki opracowaniu szeregu nowych narzędzi laboratoryjnych – od zaawansowanych metod identyfikacji białek po oprogramowanie do eksploracji danych – które umożliwiają naukowcom przetwarzanie ogromnych ilości danych. Na przykład Beyond Genomics zbiera próbki krwi, tkanek lub płynu mózgowego, a następnie wykorzystuje szereg nowo opracowanych narzędzi analitycznych do identyfikacji głównych genów, białek i mniejszych cząsteczek, które zachowują się inaczej u zdrowych i chorych pacjentów. I zamiast identyfikować każdy rodzaj molekuły w próbce — byłoby to zniechęcające zadanie — mówi Adourian — firma skupia się tylko na tych, które wydają się być zaangażowane w chorobę.

Nowe dane są następnie łączone z informacjami z publicznych baz danych i wprowadzane do komputera, który mapuje możliwe interakcje między cząsteczkami. Dzięki temu firma może wykryć cząsteczki, które prawdopodobnie będą dobrym celem dla nowych leków w ciągu kilku tygodni, w przeciwieństwie do lat, które mogą zająć tradycyjne metody.

Nawet pojedyncza komórka jest niezwykle złożonym układem wypełnionym tysiącami cząsteczek, których naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali. I może minąć ponad dekada, zanim biologia systemów będzie w stanie skonstruować dokładny model wszystkich tych wchodzących w interakcje elementów w komórce. Jednak wraz z ewolucją podejścia i rozwojem baz danych dotyczących genów, białek i innych czynników, naukowcy zbliżą się do tego celu – a nawet częściowe zrozumienie może znacznie wspomóc proces odkrywania leków. Myślę, że biotechnologia oferuje całkiem ekscytujące możliwości dla firm, które prawidłowo podejmą biologię systemów, mówi Hood, uznając techniczne wyzwania związane z tymi wieloaspektowymi badaniami.

Ostatecznie naukowcy chcieliby przyjrzeć się systemom jeszcze bardziej złożonym niż komórka. Pewnego dnia biologia systemów może umożliwić modelowanie organu, takiego jak serce, a ostatecznie całego organizmu. Wtedy termin uzdrowienie holistyczne nabrałby zupełnie nowego znaczenia.

Wielkie zdjęcie
Firmy wykorzystujące biologię systemów

Instytut/Firma Lokalizacja Centrum Institute for Systems Biology Seattle, WA Zrozumieć ludzką fizjologię i choroby Poza genomiką Waltham, MA Zidentyfikować nowe cele leków Lilly Center for Systems Biology Singapur Opracować nowe leki SurroMed Mountain View, CA Pozyskać wiele danych biologicznych dla nowych celów leków Alliance for Cellular Signaling Dallas, TX Mapuj wszystkie interakcje między białkami w komórce

ukryć