Системная биология: от клеточных сетей к пониманию жизни
Системная биология — это целостный подход к изучению того, как живой организм возникает из взаимодействий отдельных элементов, составляющих его клетки. Эта междисциплинарная область, набирающая известность, обещает прорывы в создании более безопасных и эффективных фармацевтических препаратов, улучшении методов восстановления окружающей среды и развитии чистой, «зелёной» энергии. Однако, по мнению ведущих специалистов, её самое глубокое влияние — это потенциальный ответ на центральный вопрос: Что такое жизнь?
Адам Аркин, директор Отдела физических биологических наук Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (DOE) и ведущий специалист по вычислительной биологии, — соавтор эссе в журнале Cell, описывающего ключевые технологии и идеи, продвигающие исследования в этой области. Статья называется «Network News: Innovations in 21st Century Systems Biology». Соавтором выступил Дэвид Шаффер, инженер-химик из той же лаборатории. Оба также работают в Калифорнийском университете в Беркли.
«Системная биология стремится понять, как отдельные элементы клетки порождают поведение, позволяющее выживать в изменчивой среде, и как происходит коллективная организация клеток в структурированные сообщества, — говорит Аркин. — В конечном счёте, эти клеточные сети собираются в более крупные популяционные сети, образуя крупномасштабные экосистемы и мыслящие машины, такие как человек».
В эссе утверждается, что идеи системной биологии зародились более века назад, и эту область следует рассматривать как «зрелую синтезирующую концепцию о последствиях биологической структуры и её динамической организации». Исследования эволюции, архитектуры и функций клеток и клеточных сетей в сочетании с растущей вычислительной мощью привели к созданию прогностических моделей регуляции и метаболизма организмов в масштабе всего генома. Сегодня системная биология готова «преодолеть разрыв между корреляционным анализом и механистическим пониманием», что может превратить биологию из описательной науки в инженерную.
Открытия в системной биологии, по словам авторов, можно разделить на те, что опирались на «механистический подход к причинно-следственным связям», и те, что использовали «крупномасштабный корреляционный анализ». Их результаты также можно классифицировать в зависимости от того, касаются ли они в основном принципов организации клеточных сетей или предсказаний поведения этих сетей.
«По мере развития системной биологии количество исследований, связывающих корреляцию с причинностью, а принципы — с предсказанием, будет продолжать расти, — говорит Шаффер. — Достижения в измерительных технологиях, позволяющие проводить крупномасштабные эксперименты в широком диапазоне параметров и условий, всё чаще будут объединять эти корреляционный и причинный подходы».
По мере секвенирования полных геномов большего числа организмов и совершенствования технологий измерений и генетических манипуляций учёные смогут сравнивать системы на более широком протяжении филогенетических деревьев. Это, по мнению Аркина и Шаффера, углубит понимание механистических особенностей, необходимых для функции и эволюции.
«Растущая интеграция экспериментальных и вычислительных технологий будет подтверждать, углублять и разнообразить теории, которые первые системные биологи выводили с помощью логики, — заключает Аркин. — Это приблизит нас к ответу на вопрос «Что такое жизнь?».