Systeembiologie

De afgelopen jaren is er een explosie van informatie in de biologie geweest. Het in kaart brengen van het menselijk genoom leverde biologen ongekende details op over zo'n 30.000 tot 40.000 genen. Er worden ook inspanningen geleverd om de duizenden en mogelijk miljoenen eiwitten te identificeren die door die genen worden gecodeerd. Onderzoekers zetten nu de volgende logische stap in het integreren van al deze data: systeembiologie.

Het doel is om niet alleen de functies van individuele genen, eiwitten en kleinere moleculen zoals hormonen te begrijpen, maar ook om te leren hoe al deze moleculen op elkaar inwerken in bijvoorbeeld een cel. Biologen hopen deze informatie vervolgens te gebruiken om nauwkeurigere computermodellen te genereren die zullen helpen de complexiteit van de menselijke fysiologie en de onderliggende mechanismen van ziekte te ontrafelen. De grootste winst: snellere ontwikkeling van effectievere medicijnen. Dit opent echt een hele nieuwe wereld, een nieuwe manier om dingen te doen, zegt Aram Adourian, directeur van geavanceerde technologieën bij Beyond Genomics, een systeembiologie-startup in Waltham, MA.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2002

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Een handvol academische groepen, biotechbedrijven en farmaceutische bedrijven omarmen deze nieuwe aanpak (zie tafel) . Farmaceutisch maker Eli Lilly zal dit voorjaar zijn nieuwe Center for Systems Biology in Singapore openen. Het centrum is van plan om de komende vijf jaar 140 miljoen dollar uit te geven om effectievere medicijnen te ontwikkelen met behulp van een systeembenadering. In Seattle heeft biotechpionier Leroy Hood onlangs het Institute for Systems Biology opgericht (zie Under Biology's Hood , KINDEREN september 2001) met als doel complexe systemen zoals het immuunsysteem en ziekten zoals kanker beter te begrijpen. Beyond Genomics gebruikt systeembiologie om betere moleculaire doelwitten voor geneesmiddelen tegen hartziekten te identificeren en werkt samen met het in Dublin, Ierland gevestigde geneesmiddelenbedrijf Elan om nieuwe therapieën voor de ziekte van Alzheimer te ontwikkelen.

Traditioneel zouden geneesmiddelenonderzoekers een gen kunnen identificeren dat bij zieke patiënten is in- of uitgeschakeld en vervolgens een medicijn ontwikkelen dat dat gen of het eiwit waarvoor het codeert, reguleert. Maar bij veel ziekten zijn een aantal verschillende genen en eiwitten betrokken, die allemaal op unieke manieren met elkaar in wisselwerking staan. Systeembiologie zou, door deze complexe interacties te onderzoeken, meer licht kunnen werpen op hoe ziekten cellulaire processen veranderen. Dit zou onderzoekers kunnen helpen om efficiënter te werken aan de cruciale genen of eiwitten die ziekte veroorzaken, en die daarom de belangrijkste doelen zijn voor nieuwe therapieën. Onderzoekers zouden hun modellen ook kunnen aanpassen om de effecten van een potentieel medicijn nauwkeuriger te simuleren voordat ze het op mensen testen, waardoor bedrijven miljoenen dollars kunnen besparen.

Systeembiologie is pas recentelijk haalbaar geworden met de ontwikkeling van een reeks nieuwe laboratoriumtools, variërend van geavanceerde eiwitidentificatiemethoden tot dataminingsoftware, waarmee onderzoekers enorme hoeveelheden gegevens kunnen verwerken. Beyond Genomics verzamelt bijvoorbeeld monsters zoals bloed, weefsel of hersenvocht en gebruikt vervolgens een aantal nieuw ontwikkelde analytische hulpmiddelen om de belangrijkste genen, eiwitten en kleinere moleculen te identificeren die zich anders gedragen bij gezonde dan bij zieke patiënten. En in plaats van elk type molecuul in een monster te identificeren - dat zou een ontmoedigende taak zijn, zegt Adourian - richt het bedrijf zich alleen op die welke betrokken lijken te zijn bij ziekten.

De nieuwe gegevens worden vervolgens gecombineerd met informatie uit openbare databases en ingevoerd in een computer die de mogelijke interacties tussen de moleculen in kaart brengt. Hierdoor kan het bedrijf moleculen opsporen die waarschijnlijk binnen enkele weken goede doelen zullen zijn voor nieuwe medicijnen, in tegenstelling tot de jaren die traditionele methoden zouden kunnen kosten.

Zelfs een enkele cel is een uiterst complex systeem gevuld met duizenden moleculen die onderzoekers nog moeten identificeren. En het zou meer dan een decennium kunnen duren voordat de systeembiologie in staat is om een ​​nauwkeurig model te construeren van al deze op elkaar inwerkende elementen in een cel. Maar naarmate de aanpak evolueert, en naarmate databases over genen, eiwitten en andere factoren blijven groeien, zullen onderzoekers dichter bij dat doel komen - en zelfs een gedeeltelijk begrip zou het proces van medicijnontdekking enorm kunnen helpen. Ik denk dat er in de biotechnologie behoorlijk opwindende kansen liggen voor bedrijven die systeembiologie correct aanpakken, zegt Hood, die de technische uitdagingen erkent die inherent zijn aan dit veelzijdige onderzoek.

Uiteindelijk willen onderzoekers kijken naar systemen die nog complexer zijn dan de cel. Op een dag zou systeembiologie het mogelijk kunnen maken om een ​​orgaan te modelleren, zoals een hart, en uiteindelijk een heel organisme. Dan zou de term holistische genezing een geheel nieuwe betekenis krijgen.

Het grote plaatje
Bedrijven die systeembiologie exploiteren

Instituut/Bedrijf Plaats Focus Institute for Systems Biology Seattle, WA De menselijke fysiologie en ziekte begrijpen Beyond Genomics Waltham, MA Nieuwe medicijndoelen identificeren Lilly Center for Systems Biology Singapore Nieuwe medicijnen ontwikkelen SurroMed Mountain View, CA Mijn meerdere biologische gegevens voor nieuwe medicijndoelen Alliance for Cellular Signaling Dallas, TX Breng alle interacties tussen eiwitten in een cel in kaart

zich verstoppen