Biológiai egyszerűsítés

Az egyes biológiai folyamatok egymáshoz szorosan kapcsolódva, együttesen alakítják ki, határozzák meg az élőlények tulajdonságait. E roppant összetett rendszer működésének megértése nagy próbatétel elé állítja a kutatókat, ám a bonyolult kapcsolatok hátterében ott rejtőzik a "biológiai egyszerűség", amely segíthet megalapozni a jövőbeli kutatásokat.

Rendszerbiológia

A molekuláris biológia sok új, "omikáknak" is nevezett tudományterület alapját képezi. Talán ezek közül a genomika a legismertebb, ami az élőlények genomjával, azaz teljes genetikai állományával foglalkozik. A proteomika ennek megfelelően a szervezet fehérjekészletének (protein = fehérje, proteom = fehérjekészlet) tudománya, míg például a metabolomika az anyagcsere-folyamatokban részt vevő kisebb molekulákat is vizsgálja. E területek tehát külön-külön bizonyos biológiai hálózatokat jellemeznek, amelyek azonban szorosan kapcsolódnak egymáshoz. Például az anyagcsere-folyamatok meghatározott anyagcsere-útvonalakon keresztül enzimek (fehérjék) közvetítésével játszódnak le, amelyek elsődleges szerkezete génjeinkben szigorúan kódolva van. Ez az összetettség egységes rendszerszemléletet tesz lehetővé, így jelent meg a rendszerbiológia (system biology) nevű tudományterület.

A rendszerbiológusok legfőbb törekvése, hogy minél pontosabban tárják fel a biológiai hálózatok kölcsönhatásainak hátterét és azok következményeit. Ez a rendelkezésre álló hatalmas adattömeg miatt nagyon nehéz feladat. Ezért az in situ- (természetes körülmények között történő), illetve laboratóriumi vizsgálatok mellett nagy szerepet kap a rendszerbiológiában a matematikai- és számítógépes modellezés, illetve a bioinformatika is.

Egy új felismerés

A kutatóknak nemrég sikerült egy olyan jelenségre bukkanniuk, ami a jövőben jelentősen egyszerűbbé teheti az egyes hálózatok közötti kapcsolatok megértését. Úgy tűnik, hogy az egyes biológiai folyamatoknak - amelyek elméletileg számtalan módon lejátszódhatnak - csak néhány, evolúciósan kitüntetett formája jellemezhető aktív működéssel.

Ezt elsőként a gének működésének szabályozásában szerepet játszó hálózatok esetén fedezték fel. A hatalmas hálózatrendszer (azaz a génműködést szabályozó hálózatok összessége) rengeteg lehetséges kölcsönhatási mintázat megjelenését teszi lehetővé, ám valószínűleg ezek közül csak néhánynak van valódi funkciója. Ezeket a kitüntetett kölcsönhatási mintázatokat hálózati motívumoknak nevezték el. A hálózati motívumok újra és újra megjelennek az adott rendszerekben, mindig ugyanazt a kölcsönhatási mintázatot hordozzák, ám különböző géneket irányítanak.

Erre példa egy, az Escherichia coli nevű baktériumban azonosított hálózati motívum. Ez lehetővé teszi a baktérium számára, hogy (a stresszre adott) védekező mechanizmusa abban az esetben is helyesen működjön, ha a jelzés, ami e válaszreakció kialakítását normális körülmények között felerősíti, valami miatt nem működik.

Ha az E. coli számára a környezeti tényezők kedvezőtlenül alakulnak, úgynevezett bakteriális flagellumot (ostorszerű képződményt) növeszt, aminek segítségével úszva viszonylag gyorsan új élőhely után nézhet. Ebben az esetben a szóban forgó hálózati motívum érzékeli a stresszjelzést, és előmozdítja az ostorfehérjék szintézisét. Ha a jel elveszik, a hálózati motívum még körülbelül egy órán keresztül fenntartja a fehérjetermelést - hozzávetőlegesen ennyi idő szükséges a teljes flagellum szerveződéséhez. Ezzel tulajdonképpen az ostor felépülését, illetve annak mechanizmusát védi a rövid jelvesztés okozta leépüléstől.

Ugyanezt a hálózati motívumot már leírták sok más baktérium, illetve egyéb, egyszerűbb szervezetek esetén is.

Ősi hálózati mintázatok

A jelentéssel bíró motívumok kis száma valószínűleg a biológiai útvonalak találkozásának kényszeréből adódik. Hiszen minél kevesebb útvonalon keresztül történik meg az egyes hálózatok közötti kölcsönhatás, annál kisebb a hibalehetőség is. A hálózati motívumok kicsiny készlete nem csupán bakteriális jellegzetesség: kimutatták állati és növényi génműködést szabályozó hálózatokban is. Úgy tűnik, az evolúció újra és újra felfedezte ugyanazokat a motívumokat a különböző élőlények esetén, azaz az ősi, specifikus hálózati motívumok - fontos tulajdonságaik révén - újra szelektálódtak, megjelenve ezzel a magasabb rendszertani kategóriákba tartozó élőlények tulajdonságaiként is.

A hálózati motívumokkal kapcsolatban baktériumsejtekben kimutatták azt is, hogy azokra a biológiai útvonalakra hatnak leginkább, amelyek a legkevesebb komponenssel képesek pontosan elvégezni egy adott funkciót. A további, vizsgált rendszerek alapján az is elmondható, hogy a hálózati motívumok egy útvonalon keresztül össze vannak kötve egymással, ám ez a kötelék nem gátolja az egyes motívumok független funkcióját.

Matematikai modellek

A hálózati motívumok működéséből adódóan a kutatók számára lehetőség nyílik még egy, a megértésüket segítő egyszerűsítésre: az egyes motívumok dinamikája sok esetben leírható matematikai modellekkel. Ezek a modellek nem igényelnek bonyolult, az egyes fehérjék működését leíró paramétereket, ugyanakkor képesek lehetnek bináris adatok alapján (például X fehérje gátolja (0) vagy serkenti (1) Y fehérje működését,) esetleg kiegészítő mutatók segítségével (előbbi példánál maradva például a fehérjék koncentrációjának megadására) pontos képet festeni a motívumok dinamikájáról.

További könnyítést jelenthet az ilyen típusú modellek alkalmazásakor (a motívumok működésének megértésében) az időskálák elkülönítése. Például azok a motívumok, amelyek az új fehérjék létrehozását irányítják, perc alapú időskálán működnek, míg a létező fehérjék kémiai módosítását végzők másodperc alapúak. Így a kémiai módosítások befejeződhetnek, mielőtt a lassabb mechanizmusok elkezdenék megváltoztatni az elkészült fehérjék koncentrációját. A matematikai modell segítségével (ezen időskálák elkülönítésekor) feltárulhat előttünk a lassú időskála dinamikája, amennyiben állandósult állapotot tételezünk fel a gyors skálán végbemenő folyamatokra.

Az elmondottak alapján egyszerűsíthetőek lehetnek a rendszerbiológia alapelvei. Ezek felhasználásával egy napon talán megfejthetővé válik a bonyolult biológiai hálózatok viselkedése - ez vezethet el a jövőben a teljes rendszer egységes működésének felderítéséhez.

A Nature cikke (Vol 446|29 March 2007) alapján készítette Török Katalin biológus