Læsetid 5 min.

Dybest set er vi en sær gærcelle...

...Men ikke nok med det. Nye studier viser, at der findes fælles principper mellem en celles og internettets netværk. Det giver håb om, at kunne styre cellen som et elektronisk netværk
18. november 2002

Komplekse systemer

Det er skønt at bladre i atlas og drømme om fjerne steder med eksotiske retter, klædedragter og skikke. Kortenes højdekurver og farver, byer og veje er inspirerende som ind i helvede. Tilsvarende elsker vi at beskrive og kortlægge verden, fra den mindste celle til den største galakse. Det er nærmest en basal drift.
Men hvad enten det er landkort eller kort over cellen, siger de ikke meget om det indhold og den substans, vi drømmer om at kende. Kortene er jo ikke levende og alle de underliggende komplekse samspil og netværk, der på kryds og tværs skaber en kultur eller en levende celle, undslipper dem.
Med den stadigt voksende computerkraft er et nyt felt - studiet af komplekse systemer - for alvor ved at tage fart. To nye studier i Science, der allerede betegnes som skelsættende, viser, at det efterhånden er blevet muligt ikke blot at studere de enkelte spillere i store komplekse netværk, men at se hele systemet på én gang og komme frem til en funktionel forståelse af helheden.
Det er lidt af et chok for den moderne biologi, der efter kortlægningen af den menneskelige arvemasse er i fuld gang med yderligere kortlægninger i håbet om komme nærmere en forståelse cellen. Forskerne vil vide alt om, hvilke proteiner, der findes i hvilke celler - tegne proteinkort over muskelceller i forhold til nerveceller, syge celler i forhold raske celler, og sætte streger og pile imellem alle de forskellige proteiner, som påvirker hinanden. Og de vil vide alt om, hvilke små metabolitter (sukkerstoffer, kernesyrer, phosphater osv.), der findes i cellen, når den arbejder, og når den deler sig, er syg eller rask osv. Alle dataene samles som genomet, proteomet, metabolomet, transkriptomet, glykomet osv.
Men det paradoksale er, at selv ikke den dag man står med en komplet inventarliste, vil man være istand til at forstå de grundlæggende principper bag det komplekse netværk af interaktioner, der udgør den funktionelle helhed - essensen - af det levende væsen.
Det epokegørende ved de to nye studier er, at de ikke blot åbner for at forstå principperne bag komplekse netværk, men også viser, at der findes universelle principper, som gælder for vidt forskellige systemer fra cellens indre til internettet.

Hele cellen

Selv en lille uanselig gærcelle er fyldt med en ufattelig kompleksitet, der gør den i stand til at håndtere et væld af informationer, fra fejl og mutationer i cellens indre til ændringer i omgivelserne som udbud af næring. Det er et stort mysterium, hvordan cellen kan håndtere så mange forskellige informationer uden at have en
supercomputer centralt placeret.
Antallet af interaktioner inden i cellen kan derimod godt få en supercomputer til at blegne. Man skal ikke glane mange øjeblikke på et kort over kendte biokemiske veje for at overbevise sig om, at cellen er uoverskuelig, og at ingen kan danne sig et samlet overblik over alle interaktioner mellem gener, proteiner og metabolitter på én gang.
Det er alligevel, hvad Tong I. Lee, Nicola J. Rinaldi og François Robert fra Whitehead Instituttet i USA sammen med 18 kolleger har formået. Godt nok i gærcellen Saccharomyces cerevisiae, der 'kun' har 6.000 gener imod vores knap 40.000.
Lee og kollegerne har udnyttet en af det seneste års virkelig lovende nye teknikker - en DNA-chips - til at kortlægge tusinder af genregulatoriske netværk i gæren. Og ud af disse tusinder lykkedes det at identificere blot seks regulatoriske motiver, som bliver genbrugt igen og igen.
Studiet støttes af et tidligere studie i bakterier og sammen viser de, at den enorme kompleksitet kan reduceres til nogle ganske få principper.

Vi er gær

Det komplekse netværk kan betragtes hierarkisk. Nederst i hierarkiet finder man selve byggeklodserne. Det kan være gener, RNA, proteiner eller metabolitter. Disse organiserer sig selv i simple mønstre eller sammenhænge såsom A bliver til B, der bliver til C, som regulerer A. Dette simple princip genbruges gang på gang blot med forskellige spillere som A, B og C. Det kan være forskellige stier i stofskiftet eller 'motiver' i genregulerende netværk.
Disse simple mønstre, stier eller netværk af proteiner og metabolitter udgør funktionelle moduler i cellen, der er ansvarlige for en bestemt cellulær funktion. En gruppe proteiner udgør f.eks. det centrale kraftværk i enhver celle, der omsætter sukkerstoffer til energi –s et funktionelt modul. Eller det kan være en anden gruppe proteiner, som udgør en signaleringsvej fra cellens ydre til cellens kerne. I kernen overtager et nyt funktionelt modul og påvirker generne, og på lignende måde er de funktionelle moduler forbundet med hinanden i hierarkiske netværk, der definerer cellens overordnede funktion.
Det interessante er, at der nu er bevis for, at cellen benytter ganske få forskellige motiver, som til gengæld genbruges forskellige steder i cellen og i forskellige celler.
Ydermere viser det sig, at vi dybest set er en sær gærcelle (se figur). Generne, proteinerne og metabolitterne i to celler i forskellige organismer kan være helt forskellige på laveste niveau - deres primære struktur ligner overhovedet ikke hinanden. Men de udfører alligevel helt parallelle opgaver og er forbundet i helt parallelle funktionelle grupper, der atter er en del af et mere universelt princip for organisering af cellen. Selve livets essens. Forskellen mellem gær og menneske ligger med andre ord ikke i de enkelte gener, men i tusindevis af små forskelle i det samme hierarki. Har man svært ved at sluge den besked, er det andet studie i Science nok endnu mere ufordøjeligt.

Integreret kontrol

Mens den moderne biologi efter kortlægningen af det menneskelige genom er i fuld gang med yderligere kortlægninger har Dr. R. Milo fra Weizmann Instituttet i Israel sammen med fire kolleger haft en anden tilgangsvinkel til komplekse netværk.
Løfter man sig op over cellebiologien opdager man, at komplekse netværk studeres i mange grene af videnskaben. Byers elnet, fødekæder, genregulerende netværk, stofskiftet, internettet, neurale netværk, forskeres indbyrdes citationer og sågar 'old boys'-netværket af overlappende bestyrelsesformænd i USA's største firmaer er alle eksempler på komplekse netværk, hvis struktur forskere studerer.
Milo og kolleger har undersøgt, hvilke mønstre af interaktioner, der findes i fem forskellige netværk - biokemiske, neurobiologiske, økologiske, computerkredsløb og world wide web - for at nå ned til de grundliggende strukturelle principper.
Denne helt overordnede tilgang viser meget overraskende, at de meget forskellige komplekse netværk alle har ganske få funktionelle motiver, og at nogle af motiverne er fælles. Fjernt fra cellens indre regulerende mekanismer afslører de nye studier den første flig af universelle love, der kan bidrage til vores forståelse af alt fra hjernen, udviklingsbiologien, integrerede mikroelektroniske kredsløb over økonomi og samfundsvidenskabelige aspekter.
Selv om der er masser af kortlægningsarbejde tilbage, meget få kvantitative studier og endnu færre studier af cellens dynamik adskiller vi os på et abstrakt matematisk plan ikke meget fra en sær gærcelle eller fra strukturen i internettet. Det giver systembiologerne håb om en dag at opnå samme kontrol over cellen som ingeniører har over integrerede kredsløb i computere.

Bliv opdateret med nyt om disse emner på mail

Vores abonnenter kalder os kritiske, seriøse og troværdige.

Se om du er enig - første måned er gratis

Klik her

Er du abonnent? Log ind her

Anbefalinger

anbefalede denne artikel

Kommentarer

Der er ingen kommentarer endnu